OBJETIVO
Conocer las funciones y características básicas de los componentes de la electrónica de potencia, y su importancia en la actualidad.
SIGNIFICADO
La electrónica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos el procesamiento de la señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potencia, combina la energía, la electrónica y el control.
La energía tiene que ver con equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica.
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad.
PARTES DE UN EQUIPO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Circuito de Control.
Que procesa la información proporcionada por el circuito de potencia y genera las señales de excitación que determinan el estado de los semiconductores, controlados con una fase y secuencia conveniente.
Circuito de Potencia.
Esta compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos,que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga.
APLICACIONES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA.
Alimentaciones en Modo Conmutado
La utilización de alimentaciones en modo conmutado, como cargadores de baterías, permite una ganancia muy importante en peso y en coste. El transformador, los condensadores y las inductancias de filtro se sustituyen por componentes que trabajan a una frecuencia superior a 20 kHz. El desarrollo de componentes activos y pasivos mejor adaptados, permitirá una mejora adicional en peso, en volumen y en coste.
Soldadura Eléctrica
La utilización de tiristores asimétricos o de transistores de potencia que trabajan a frecuencias elevadas permite la construcción de equipos de soldadura ultraligeros. En particular, puede dividirse el peso (hierro, cobre) por un factor superior a cinco. Además, la elevada frecuencia de funcionamiento permite una regulación rápida de la corriente de soldadura y, así, fa soldadura automática sin proyección.
Variadores de Frecuencia con convertidor Trifásico
El variador de Frecuencia para el motor asíncrono estándar de bajo coste reclama de la técnica el convertidor trifásico que utiliza combinaciones de semiconductores de potencia. Este dispositivo se utiliza para la tracción de las cintas transportadoras, las bombas, los motores de robótica, etc. Se caracteriza por su gran flexibilidad de aplicación, su reducido coste de mantenimiento y el importante ahorro de energía que supone. Además, la utilización de los módulos SEW reduce el coste de cableado.
Control de Motores de las Máquinas Herramientas
Los semiconductores discretos, diodos y transistores utilizados en el control de motores de herramientas serán pronto reemplazados por módulos darlington-diodos que realizan una función de conmutación completa, situados en soportes especiales con fuerte disipación térmica.
Alimentaciones Estáticas sin Cortes
Las alimentaciones sin interrupciones son indispensables para el funcionamiento sin cortes de los equipos informáticos, las centrales telefónicas electrónicas, etc. El uso de transistores de potencia en estas alimentaciones de emergencia permite una ganancia considerable en calidad de regulación, rendimiento, peso y volumen. El aumento en el rendimiento, incluso con carga pequeña, permite reducir igualmente el peso y el volumen de las baterías tampón y, en consecuencia, el tamaño y el precio de los locales que las albergan.
DISPOSITIVOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.
Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).
Existen tiristores de características de potencias como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).
Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caida de tension entre los electrodos principales.
Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.
Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.
El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
CLASIFICACIÓN:
Dispositivos totalmente Controlados: En Este grupo encontramos los Transistores bipolaresBJT ("Bipolar Unión Transistor "), los Transistores de efecto de campo MOSFET (" Metal Oxide Semiconductor transistor de efecto campo "), los Transistores bipolares de puertaAislada IGBT ("puerta aislada Transistor Bipolar ") ylos tiristores GTO ("Puerta de apagado Tiristor"), Entre Otros .
Dispositivos semicontrolados: En Este grupo se encuentran, Dentro de la familia de los tiristores,los SC R ("Silicon Controlled rectificador ") y los TRIAC ("T Riode de Corriente Alterna "). En Este Caso su puesta en Conducción (paso de OFF a ON) se Dębe un Una Señal de externa de control Que se Aplica en uno de los terminales del Dispositivo, comúnmente denominado, puerta.
Dispositivos no Controlados: en Este grupo se encuentran los Diodos. Los Estados de Conducción o Cierre (ON) y Bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de Potencia.Por del tanto, Estós Dispositivos no disponen de ningún terminal de el control externo. 2.
DIODOS:
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
RECTIFICADORES:
Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.
Durante la fabricación de los diodos rectificadores se consideran tres factores: la frecuencia máxima en que realizan correctamente su función, la corriente máxima en que pueden conducir en sentido directo y las tensiones directa e inversa máximas que soportarán.
Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.
Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica.
SCHOTTKY:
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", es decir, rodilla).
La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente.
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo.
RECUPERACIÓN RÁPIDA
Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales.
Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica se hace un material semiconductor, el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico, cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor.
TIRISTORES:
El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
SCR
El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.
El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero)Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta).
La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
GTO
Un Tiristor GTO o simplemente GTO es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.
TRANSISTOR:
Un transistor es un dispositivo semiconductor usado para amplificar e interrumpir señales electrónicas o potencia eléctrica. Está compuesto de materiales semiconductores con por lo menos tres terminales para conexión externa al circuito.
Gracias a que la potencia de salida puede ser más grande que la potencia de control un transistor puede amplificar una señal. Algunos transistores aun son construidos en encapsulados individuales, pero la mayoría son construidos como parte de circuitos integrados.
BJT
El transistor de unión bipolar (del inglés bipolar junction transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.
Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha.
De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor: Que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
Base: La intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector: De extensión mucho mayor.
MOSFET
El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.
El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal del surtidor, y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.
El aluminio fue el material por excelencia de la compuerta hasta mediados de 1970, cuando el silicio policristalino comenzó a dominar el mercado gracias a su capacidad de formar compuertas auto-alineadas. Las compuertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, dada la dificultad de incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la compuerta.
IGBT
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión,
barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI , etc.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
CUESTIONARIO
1.- ¿Qué es electrónica de potencia? R= Son las aplicaciones de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energíaeléctrica.
2.- ¿Cuáles son las condiciones para que conduzca un tiristor? R= El ánodo tiene que tener mayor potencial que el cátodo.
3.- ¿Qué es una conmutación forzada? R= Los tiristores de conmutación forzada se apagan con un circuito adicionalllamado circuito de conmutación.
4.- ¿Cuáles son los diversos tipos de tiristores? R= Tiristor conmutado forzado, tiristor conmutado por línea, de abertura de compuerta (GTO), de conducción inversa (RCT), de inducción estática(SITH), de abertura de compuerta asistida (GATT), rectificador foto activado controlado por silicio (LASCR), tiristor abierto por MOS (MTO), tiristor abierto por emisor (ETO), tiristor conmutado porcompuerta integrada (IGCT), tiristor controlado por MOS (MCT).
5.- ¿Cómo se puede abrir un tiristor? R= Con una conmutación por línea o forzada.
6.- ¿Qué es una conmutación de línea? R= Cuando el voltaje de entrada es senoidal, se produce una conmutación de línea.
7.- ¿Qué es un circuito de conmutación? R= Es un circuito donde el elemento base funciona en todo o nada.
8.- ¿Cuál es la diferencia entre un tiristor y un TRIAC? R= Que el tiristor es unidireccional y el TRIAC es bidireccional.
9.- ¿Cual es la característica de control de un GTO? R= Se encienden aplicando un pulso positivo corto a las compuertas y se apagan por aplicación de pulso negativo corto a las otras compuertas
10.-¿Que es la recuperación rápida? R=Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales.
BIBLIOFRAFÍA
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www.ita.mx/.../electronica.../FAIELC-2010-211ElectronicadePotencia
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www.potencia.uma.es
www.ecured.cu/index.php/Electrónica_de_potencia
www.electronicafacil.net/tutoriales/El-tiristor.php
Soldadura Autógena o por gas
La sigla TIG corresponde a las iniciales de las palabras inglesas "Tungsten Inert Gas", lo cual indica una soldadura en una atmósfera con gas inerte y electrodo de tungsteno. El procedimiento TIG puede ser utilizado en uniones que requieran alta calidad de soldadura y en soldaduras de metales altamente sensibles a la oxidación (tales como el titanio y el aluminio). Sin embargo, su uso más frecuente está dado en aceros resistentes al calor, aceros inoxidables y aluminio.
Preparación de forma que las juntas estén lo mas cerca posible, limpiar apropiadamente las zonas de contacto, aplicar el fundente y el material de aporte, ensamblar las partes, aplicar calor y luego, cuando la juntas estén a una temperatura ambiente
Se utilizan generadores de corriente continua o rectificadores de 300 amperios de capacidad colocada sobre un material aislante y el bastidor conectado a tierra. El proceso de soldadura acuática ha sido desarrollado gracias a la llegada de nuevos electrodos y la aplicación de nuevas técnicas de soldadura. Esto, unido a los equipos de nueva generación y fuentes de energía ha dado lugar a una calidad en la soldadura acuática similar al obtenido en trabajos en la superficie.
