ELECTRONICA DE POTENCIA. ALBERTO CABRERA TOLEDO. SAN PEDRO COMITANCILLO, OAXACA.

Transcripción

1 ELECTRONICA DE POTENCIA. ALBERTO CABRERA TOLEDO. SAN PEDRO COMITANCILLO, OAXACA.

2 CONTENIDO. UNIDAD 1.- RECTIFICADORES MONOFÁSICOS Y POLIFÁSICOS Análisis de sistemas polifásicos Rectificadores monofásicos y polifásicos Rectificador monofásico de media onda Rectificador monofásico de onda completa Rectificador 3ф de media onda Rectificador 3ф de onda completa Comparación de rectificadores 1ф y 3ф Configuraciones (montajes) de sistemas polifásicos Rectificación trifásica de media onda no controlada Rectificación de media onda Rectificación bifásica de media onda Rectificación trifásica y hexafásica de media onda Intensidades Caídas de tensión Rectificación trifásica de onda completa no controlada Rectificación de onda completa Intensidades Caídas de tensión Rectificación de onda completa con montaje de secundario en polígono Tensiones Intensidades Caídas en las resistencias y los diodos Asociación de rectificadores. 11 UNIDAD 2.- CONVERTIDORES POLIFASICOS CONTROLADOS (AC-CD) Repaso de tiristores Características de los tiristores Modelo de dos tiristores Activación de un tiristor Tipos de tiristores Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (scr) Tiristores de desactivación por compuerta (gto) Tiristores de tríodo bidireccional (triac) Tiristores de conducción inversa (rtc) Tiristores de inducción estática (sith) Rectificadores controlados de silicio activados por luz (lascr) Tiristores controlados por fet (fet-cth) Tiristores controlados por mos (mct) Rectificación trifásica de onda completa controlada Remiconvertidores trifásicos Rectificación trifásica de medía onda Circuito intermedio Ondulador Control v/f. 26 2

3 UNIDAD 3. CONVERTIDORES DE DC CA Introducción Análisis del circuito básico Inversor con transistor bipolar Tipos de transistor Transistores bipolares (bjt - bipolar junction transistor) Transistores de efecto de campo (fet - field-effect transistor) Transistores y electrónica de potencia Inversor con tiristor. 30 UNIDAD 4.- ANÁLISIS DE CIRCUITOS BÁSICOS Analisis de circuitos basicos Tipos y características Diversos tipos de reguladores. 36 UNIDAD 5.- CONTROL DE MOTORES DE C.C Repazo del motor de corriente continúa Control del motor de corriente continúa Control del motor de f.e.m. senoidal Control del motor de f.e.m. trapezoidal Tendencias. 42 UNIDAD 6.- CONTROL DE MOTORES DE C.A Repaso del motor de corriente alterna Motores universales Motores síncronos Arrancador del motor de corriente alterna Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula Arranque directo de motores asincrónicos con rotor en jaula Arranque a tensión reducida de motores asincrónicos con rotor en jaula Control de velocidad del motor de corriente alterna Aplicación a los motores asincrónicos trifásicos. 49 3

4 UNIDAD 1. RECTIFICADORES MONOFÁSICOS Y POLIFÁSICOS ANÁLISIS DE SISTEMAS POLIFÁSICOS. Los rectificadores no controlados están formados exclusivamente por diodos. La relación entre la tensión de C.A. y la de C.D. es constante. Al no haber semiconductores controlados no hay circuito de mando, por lo que la simplicidad y la fiabilidad de estos equipos son muy grandes. No hay problemas de bloqueo. En el régimen estacionario los diodos van entrando y saliendo de conducción de una forma natural obligados por la fuente de alimentación. Para rectificar un conjunto de q tensiones alternas e 1, e 2,. e q lo más simple es usar un conjunto de q diodos, que puedan estar conectados con los cátodos comunes ó bien con los ánodos comunes. En la configuración con los cátodos comunes la tensión de salida toma en cada instante el valor de la mayor tensión de entrada. En la configuración con los ánodos comunes la tensión de salida toma en cada instante el valor de la menor tensión de entrada. La única diferencia entre ambas configuraciones es que dan la tensión de salida con polaridad distinta. En la práctica es pieza fundamental de rectificador el transformador de entrada, cuyas misiones más importantes son: 1.- Aislar galvánicamente la salida de C.C. de generador de alterna. 2.- acomodar el valor de la tensión de salida al valor exigido, gracias a una adecuada relación de transformación. 3.- mediante una configuración conveniente a disminuir el rizado a la salida. Para lo anterior se da una descripción de los rectificadores monofásicos y polifásicos, sus comportamientos y diferencias RECTIFICADORES MONOFÁSICOS Y POLIFÁSICOS. La mayoría de los circuitos cuentan con una alimentación de voltaje directo que establece un punto de trabajo para operar con señales variables en el tiempo, entonces se necesita de un sistema que transfiera el voltaje alterno que se dispone en voltaje continuo, a este sistema se le denomina fuente de alimentación y su complejidad varía de acuerdo a su 4

5 finalidad. El componente más importante de una fuente de alimentación es el rectificador, capaz de convertir la corriente alterna en una corriente unidireccional, que contiene una componente variable con el tiempo y una componente continua. La componente variable de la salida rectificada, llamada rizo, es desfavorable, su efecto se elimina mediante filtros adecuados RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA. Un circuito rectificador monofásico de media onda como se muestra en la figura anterior en donde la entrada de voltaje alterno podría ser de 127 volts a 60 c.p.s., también es muy común acoplar al rectificador de media onda con un transformador el cual eleva o reduce el voltaje alterno según sea la magnitud de voltaje directo que se desea. Cuando en la entrada del transformador se aplica un voltaje alterno senoidal, entre las terminales de salida del transformador aparecerá una señal semejante de mayor o menor valor con la misma frecuencia. Durante el primer ciclo del voltaje de entrada en el circuito entrara una corriente por el ánodo del diodo, que hace que se polarize de manera directa y habrá una pequeña caída de voltaje en el diodo, que en la mayoría de los casos es despreciable durante este semiciclo positivo todo el voltaje aplicado aparece en la resistencia de carga, siendo así nula la que se produce en el diodo polarizado de manera directa. La relación entre el voltaje y la corriente en la resistencia de carga es lineal. I sal = I m sen wt 0º =< wt => 180º I sal = I m sen wt º =< wt => 360º T I CC = _1_ 0 I sal (wt) d (wt) T I CC = _I m п Factor de rizado = r r = _Valor eficaz de la componente alterna de la onda_ Valor medio de la onda. I ef = _I m _ r = 1.21 es el factor para los rectificadores monofásicos de 2 media onda RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA. En aplicaciones donde se requiere un pequeño rizado y una componente continua intensa el rectificador de media onda resulta inadecuado a causa de su factor de rizado 5

6 elevado y débil componente continua en estos casos se logra un mejor funcionamiento, mediante un rectificador de onda completa. I sal = I D1 + I D2 I sal I m sen x 0 =< x >= п I m sen x п =< x >= 2п r = factor de rizado RECTIFICADOR 3Ф DE MEDIA ONDA RECTIFICADOR 3Ф DE ONDA COMPLETA COMPARACIÓN DE RECTIFICADORES 1Ф Y 3Ф. La corriente de línea contiene más distorsión armónica en los monofásicos que en los trifásicos, lo anterior lleva a un mejor factor de potencia en los trifásicos. Se tiene inferior rizado en los rectificadores trifásicos, lo que lleva a condensadores de menor capacidad. 6

7 Se tiene menor regulación de voltaje de vacío a plena carga en los rectificadores trifásicos que es menor de 5% CONFIGURACIONES (MONTAJES) DE SISTEMAS POLIFÁSICOS. Si es polifásico su secundario puede conectarse de dos maneras: en estrella o en polígono. La conexión del primario es indiferente a efectos de constituir los montajes principales. Para la configuración en estrella hay dos clases de montaje: el de media onda y el de onda completa, como los vistos anteriormente. En el montaje de media onda con los cátodos comunes el valor de la tensión de salida es, en cada instante, igual al de la mayor de las tensiones e 1, e 2, e q. La borna negativa está al mismo potencial que el neutro del secundario. La intensidad en cada devanado es unidireccional. En cambio el montaje de onda completa necesita el doble de diodos que el anterior, la mitad de los cuales están con los cátodos comunes y la otra mitad con los ánodos comunes. En cada instante, la tensión de salida es igual a la diferencia entre la tensión más positiva y la más negativa de e 1, e 2,. e q. En esta configuración la intensidad en cada devanado secundario es bidireccional. Para la configuración en polígono solo puede existir el montaje de onda completa puesto que no hay neutro en el secundario. Su esquema es: Es obvio que la suma de las tensiones del secundario ha de ser cero para no dar lugar a corrientes circulatorias. En la figura se ha representa do su disposición geométrica según sus desfases relativos. La tensión de salida es igual en cada momento a la suma de las tensiones positivas del secundario o a la suma de las negativas con signo cambiado. Así pues, los montajes fundamentales son: 1.- Montaje de media onda con secundario en estrella. 2.- Montaje de onda completa con secundario en estrella. 3.- Montaje de onda completa con secundario en polígono. 7

8 El estudio completo exige el de las diferentes partes del circuito suponiendo elementos ideales, el de las intensidades y el de las caídas de tensión puesto que en realidad los distintos componentes no son ideales. El funcionamiento de los rectificadores depende de la carga. Generalmente se monta en serie con ella una inductancia de filtrado para aislar la intensidad, esto suponiendo que su valor es infinito de manera que la intensidad en la carga es uniforme y coinciden sus valores instantáneo, medio y eficaz. El estudio de las tensiones es valido para cualquier carga (sin inductancia de aislamiento) siempre que la intensidad en la carga sea continua. Si esta es discontinua, es decir carga capacitiva, el funcionamiento del circuito es distinto RECTIFICACIÓN TRIFÁSICA DE MEDIA ONDA NO CONTROLADA RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA. Para la rectificación de media onda montaje más simple es el de madia onda con secundario en estrella, el cual no puede ser empleado con una inductancia de aislamiento de valor infinito pues entonces la intensidad fluiría constantemente hacía la carga y D conduciría siempre, con lo que el valor de u = e 1, y el valor medio de la tensión de salida sería cero, y por consiguiente la intensidad de salida sería nula. La intensidad que pasa por el lado secundario es la intensidad que pasa por el diodo que consta de una componente continua, I/2, y de una onda cuadrada alterna de amplitud I/2. La componente continua no induce tensión y no puede ser compensada por una corriente en el primario. Sólo se compensa la componente alterna, verificándose la igualdad de amperios-vuelta RECTIFICACIÓN BIFÁSICA DE MEDIA ONDA. 8

9 RECTIFICACIÓN TRIFÁSICA Y HEXAFÁSICA DE MEDIA ONDA. Para el rectificador trifásico de media onda cada diodo conduce durante un tercio de periodo, en cuanto a la configuración hexafásica consta de un transformador que tiene en cada rama magnética un primario y dos secundarios. La tensión de salida es menos ondulada. Cada diodo conduce durante un sexto de periodo INTENSIDADES. Puesto que la intensidad en la carga es uniforme, de valor I, cada diodo debe conducirla durante un tiempo T/q en cada período y los valores característicos de intensidad en cada diodo son: Valor de pico Valor medio Valor eficaz I Dp = I I Dm = I/q I D = I/ q Como los diodos están en serie con los devanados secundarios, por estos pasará la misma corriente eficaz I/ q. Para cada rama magnética hay que ver si los amperios-vuelta del secundario tienen un valor medio que es nulo o que no lo es. Las intensidades primarias se hallan según la relación de transformación pero descontando en el secundario la componente continúa CAÍDAS DE TENSIÓN. Las principales caídas de tensión son: 1.- Caída en la conmutación. 2.- Caída en las resistencias: la caída de tensión en las resistencias de los devanados se halla a partir de las pérdidas en el cobre. 3.- Caída en los diodos RECTIFICACIÓN TRIFÁSICA DE ONDA COMPLETA NO CONTROLADA RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA. Uno de los tipos de montaje para rectificar una onda completa es la del montaje de onda completa con secundario en estrella, en el cual el número de diodos es 2q, que se conectan formando un puente. Como es sabido que q es el número de fases del secundario. Como se ha comentado en cada instante la tensión de salida igual a la diferencia entre la tensión más positiva y la más negativa de las del secundario del transformador. 9

10 INTENSIDADES. Cada diodo conduce la corriente uniforme de salida de valor I durante un tiempo T/q. entonces sus valores característicos son: Valor de pico Valor medio Valor eficaz I Dp = I I Dm = I/q I D = I/ q Por cada devanado secundario pasa una corriente rectangular alterna. Así por la primera fase pasa la corriente I durante el tiempo T/q y la intensidad I durante T/q que en este caso conduce el segundo diodo CAÍDAS DE TENSIÓN. 1.- Caída en la conmutación. 2.- Caída en las resistencias: se hallan de igual manera que para el montaje de media onda. 3.- Caída en los diodos: como la corriente I pasa en cada instante por dos diodos, la caída es doble que para el montaje en media onda RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA CON MONTAJE DE SECUNDARIO EN POLÍGONO. La tensión de salida en cada instante es igual a la suma de las tensiones positivas del secundario o a la suma de las tensiones negativas con el signo cambiado TENSIONES. Como la tensión de salida es en cada momento igual a la suma de las tensiones positivas y en cada período T cada una de las tensiones q es positiva durante un semiciclo, se deduce que el valor medio de la tensión de salida es igual al valor medio de una semionda E p /Π multiplicado por el número de fases INTENSIDADES. Cada diodo conduce la intensidad I de salida durante un tiempo T/q. por tanto: Valor de pico I Dp = I Valor medio I Dm = I/q Valor eficaz I D = I/ q Las intensidades en los devanados secundarios son más difíciles de obtener que cuando el secundario está en estrella. 10

11 Como en funcionamiento normal hay diodos que conducen, la corriente de la carga se reparte en el polígono en dos caminos: uno es el de las fases cuyas tensiones son positivas y el otro es el de las fases con tensiones negativas. Encada camino la corriente se reparte de forma directamente proporcional a su admitancia o, lo que es lo mismo, inversamente al número de devanados. Suponiendo todos estos de idéntica construcción. En esta se hallan las intensidades primarias las cuales de cierta forma compensen los amperios-vuelta creados en cada rama magnética por los devanados secundarios CAÍDAS EN LAS RESISTENCIAS Y LOS DIODOS. Se evalúan de la misma manera que para lo montajes de onda completa con secundario en estrella ASOCIACIÓN DE RECTIFICADORES. Los montajes vistos anteriormente suelen agruparse, bien para conseguir una tensión o una intensidad de valor elevado bien para reducir la ondulación de la tensión de salida. Existen dos tipos de asociación la de serie y en paralelo. Esta última se emplea para las más altas intensidades. Los rectificadores proporcionan la misma tensión media de salida, pero sus valores instantáneos no coinciden por que, conviene que sus tensiones de salida estén decaladas con el objeto de aumentar la pulsación de la onda de salida para que el rizado sea menor. Si se asocian dos rectificadores con sus tensiones de salida decaladas, hay interacción mutua. 11

12 UNIDAD 2. CONVERTIDORES POLIFASICOS CONTROLADOS (AC-CD) REPASO DE TIRISTORES. Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones CARACTERÍSTICAS DE LOS TIRISTORES. Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión. Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J 1 y J 3 tienen polarización directa o positiva. La unión J 2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo I D. Si el voltaje ánodo a cátodo V AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J 2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa V BO. Dado que las uniones J 1 y J 3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. Símbolo del tiristor y tres uniones PN. La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, R L, tal y como se muestra en la fig. 2a. La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche I L, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, I L, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. En la fig. 2b aparece una gráfica característica v-i común de un tiristor. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. 12

13 El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J 2 no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento I H, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J 2 debido al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, I L. Esto significa que I L >I H. La corriente de mantenimiento I H es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche. Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J 2 tiene polarización directa, pero las uniones J 1 y J 3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa I R, fluirá a través del dispositivo MODELO DE DOS TIRISTORES. La acción regenerativa o de enganche debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q 1, y un transistor NPN, Q 2, tal y como se demuestra en la figura ACTIVACIÓN DE UN TIRISTOR. a) Estructura básica b) Circuito equivalente Modelo de tiristor de dos terminales. Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas: Térmica. Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que 1 y 2 aumenten. Debido a la acción regenerativa ( ) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita. Luz. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrónhueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio. 13

14 Alto voltaje. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo V BO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar. Corriente de compuerta. Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje TIPOS DE TIRISTORES. Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor TIRISTORES DE CONTROL DE FASE O DE CONMUTACIÓN RÁPIDA (SCR). El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR. Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN. Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve V BO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de I H. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común. Tiristores de control de fase. Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A. 14

15 Un SCR. 1. Se activa cuando el voltaje V D que lo alimenta excede V BO 2. Tiene un voltaje de ruptura V BO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente i G, presente en el SCR 3. Se desactiva cuando la corriente i D que fluye por él cae por debajo de I H 4. Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso TIRISTORES DE DESACTIVACIÓN POR COMPUERTA (GTO). Entre las mejoras más recientes que se le han hecho al tiristor está el apagado por compuerta (GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente i D excede I H. Aunque los tiristores GTO se han venido usando desde 1960, solamente se volvieron prácticos para las aplicaciones de control de motores, al final de los años setenta. Estos dispositivos se han vuelto más y más comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc. La típica forma de onda de la corriente de compuerta de un tiristor GTO de alta potencia se muestra a continuación. Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30ms de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato TIRISTORES DE TRÍODO BIDIRECCIONAL (TRIAC). Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se ilustra en la figura siguiente y su característica corriente-voltaje en la figura contigua. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de I H TIRISTORES DE CONDUCCIÓN INVERSA (RTC). En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El 15

16 diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo. Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura siguiente. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v y la especificación de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a 40v. Dado que para un dispositivo determinado está preestablecida la relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños de circuitos específicos. Tiristor de conducción inversa TIRISTORES DE INDUCCIÓN ESTÁTICA (SITH). Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas. Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6 ms. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ (LASCR). Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas. Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente 16

17 de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/ms y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms TIRISTORES CONTROLADOS POR FET (FET-CTH). Un dispositivo FET-CTH combina un MOSFET y un tiristor en paralelo, tal y como se muestra en la figura siguiente. Si a la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, típicamente 3v, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. Tiene una alta velocidad de conmutación. Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante control de compuerta. Esto serviría en aplicaciones en las que un disparo óptico debe utilizarse con el fin de proporcionar un aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia. Tiristores controlados por FET TIRISTORES CONTROLADOS POR MOS (MCT). Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura 8 (b) y el símbolo correspondiente en la figura 8 (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q 1 y con un transistor Q 2. La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M 1 y un MOSFET de canal n M 2. Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo V GA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E 2 de Q 2 (fuente S 1 del MOSFET M 1 del canal p) a través del canal p hacia la base p B 1 de Q l (que es drenaje D 1 del MOSFET M 1, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q 1. A continuación e1 emisor n+ E 1 de Q 1, inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C 1 ) que hace que el emisor p E 2 inyecte huecos en la base n B 2, de tal forma que se active el transistor PNP Q 2 y engancha al MCT. En breve, un V GA de compuerta negativa activa al MOSFET M 1 canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q 2. 17

18 Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo V GA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B 2 de Q 2 (fuente S 2 del MOSFET M 2 del canal n) a través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Q l (drenaje D 2 del MOSFET M 2 del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del transistor PNP Q 2 de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá huecos disponibles para recolección por la base p B 1 de Q 1 (y el colector p C 2 de Q 2 ). La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B 1, hace que se desactive el transistor NPN Q 1, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta V GA, desvía la corriente que excita la base de Q l, desactivando por lo tanto el MCT. El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado. Un MCT tiene (1) una baja caída de voltaje directo durante la conducción: (2) un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4 s, y un tiempo de desactivado rápido, típicamente 1.25 s, para un MCT de 300A, 500v; (3) bajas perdidas de conmutación; (4) una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso y (5) una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua a fin de evitar ambigüedad de estado RECTIFICACION TRIFASICA DE ONDA COMPLETA CONTROLADA. La generación y transmisión de potencias eléctrica son más eficientes en sistemas polifásicos que emplean combinaciones de dos, tres o más voltajes sinusoidales. Además los circuitos y las maquinas polifásicas poseen ciertas ventajas únicas. Por ejemplo, la potencia 18

19 transmitida en un circuito trifásico es constante o independiente del tiempo en vez de pulsante, como en un circuito monofásico. Así mismo, los motores trifásicos arrancan y funcionan mucho mejor que los monofásicos. La forma más común de un sistema polifásico utiliza tres voltajes balanceados de igual magnitud y desfasados en 120 grados. Un generador de CA elemental consta de un magneto giratorio y un devanado fijo. Las vueltas del devanado se distribuyen por la periferia de la maquina. El voltaje generado en cada espira del devanado esta ligeramente desfasado del generado por él más próximo, debido a que la densidad máxima de flujo magnético la corta un instante antes o después. Si el primer devanado se continuara alrededor de la maquina, el voltaje generado en la ultima espira estaría desfasado 180 grados de la primera y se cancelarían sin ningún efecto útil. Por esta razón, un devanado se distribuye comúnmente en no más de un tercio de la periferia; los otros dos tercios se pueden ocupar con dos devanados mas, usados para generar otros dos voltajes similares. Un circuito trifásico genera distribuye y utiliza energía en forma de tres voltajes, iguales en magnitud y simétricos en fase. Las tres partes similares de un sistema trifásico se llaman fases. Como el voltaje en la fase A alcanza su máximo primero, seguido por la fase B y después por la C se dice que la rotación de fases es ABC. Esta es una convención arbitraria; en cualquier generador, la rotación de fases puede invertirse, si se invierte el sentido de rotación SEMICONVERTIDORES TRIFÁSICOS. Los semiconvertidores trifásicos se utilizan en aplicaciones industriales hasta el nivel de 120KW, en los que se requiere de una operación de un cuadrante. Conforme aumenta el Angulo de retraso se reduce el factor de potencia de este convertidor, aunque es mejor que el de los convertidores trifásicos de media onda. Gráfica completa que muestra las formas de onda en los componentes del rectificador trifásico cuando el disparo se hace para a =90º: Gráfica completa que muestra las formas de onda en los componentes del rectificador trifásico cuando el disparo se hace para a p /3: 19

20 Con la ayuda de los convertidores trifásicos, en este caso de media onda; la potencia entregada puede mejorar de forma significativa, según algunas fuentes; este arreglo puede ser útil hasta rangos de 120KW. El valor rms y por lo tanto, la potencia, depende como era de esperarse del ángulo en el cual se dispara cada tiristor, variando en un ángulo de 0 a Para tener un control "lineal" del brillo del bombillo, es prudente dar el pulso en igual desfase de con respecto, con respecto al impulso de la siguiente fase, al haber descoordinaciones en las señales de control, puede afectar el valor rms en forma no gradual. Por ultimo es necesario tener en cuenta, que para aplicaciones de alta potencia y de mediana potencia, es importante obtener una señal de control con un ancho de pulso reducido, ya que si el disparo del mismo se prolonga, puede ocasionar calentamiento del dispositivo RECTIFICACIÓN TRIFÁSICA DE MEDÍA ONDA. Sin duda alguna los accionamientos a base de motores eléctricos son los más numerosos de la mayoría de las aplicaciones, y dentro de ellos los basados en motores de corriente continua han gozado de una total hegemonía en el campo industrial durante décadas. 20

21 Sin embargo los motores con menor nivel de exigencias en el mantenimiento son los motores asíncronos de jaula de ardilla, debido a que carecen de colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los de continua, y por tanto un coste significativamente más bajo. Por estas razones, dada su capacidad de soportar sobrecargas y su elevado rendimiento, es el motor más atractivo para la industria. Desde hace aproximadamente 20 años, el elevado desarrollo de la electrónica de potencia y los microprocesadores ha permitido variar la velocidad de estos motores, de una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores electrónicos de velocidad. La elección de la instalación de un convertidor de frecuencia como método de ahorro energético supone: Reducción del consumo, Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los procesos productivos, Minimizan las pérdidas en las instalaciones, Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones óptimas de funcionamiento). Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan transistores de potencia como el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o tiristores, siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable. Esta variación de frecuencia se consigue mediante dos etapas en serie. Una etapa rectificadora que transforma la corriente alterna en continua, con toda la potencia en el llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna, con una frecuencia y una tensión regulables, que dependerán de los valores de consigna. A esta segunda etapa también se le suele llamar ondulador. Todo el conjunto del convertidor de frecuencia recibe el nombre de inversor. El modo de trabajo puede se manual o automático, según las necesidades del proceso, dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad, permitiendo hallar soluciones para obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos, pudiendo ser manejados por ordenador, PLC, señales digitales o de forma manual. La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor protecciones para el motor, tales como protecciones contra sobreintensidad, sobretemperatura, fallo contra desequilibrios, defectos a tierra, etc, además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones. Como debe saberse, el uso de convertidores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. Además aportan los siguientes beneficios: 21

22 o o o o o o o o o o o Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto. Se puede programar un arranque suave, parada y freno (funciones de arrancador progresivo). Amplio rango de velocidad, par y potencia. (Velocidades continuas y discretas). Bucles de velocidad. Puede controlar varios motores. Factor de potencia unitario. Respuesta dinámica comparable con los drivers de DC. Capacidad de by-pass ante fallos del variador. Protección integrada del motor. Marcha paso a paso (comando JOG). Con respecto a la velocidad los convertidores suelen permitir dos tipos de control: Control manual de velocidad. La velocidad puede ser establecida o modificada manualmente (display de operador). Posibilidad de variación en el sentido de giro. Control automático de velocidad. Utilizando realimentación se puede ajustar la velocidad automáticamente. Esta solución es la ideal para su instalación en aplicaciones en las que la velocidad demandada varía de forma continua. Rectificadores no controlados de tensión fija. El fenómeno de la rectificación se da porque los diodos van conmutando cíclicamente al circuito de cc sobre las fases de ca. Es la tensión de esta red la que va forzando el paso a conducción o bloqueo de los diodos, a esta conmutación se le llama forzada. Si sólo se rectifican las semiondas positivas de la tensión alterna tenemos un montaje de media onda y si se rectifican ambas semiondas, tenemos un montaje de onda completa. En los montajes de media onda la tensión no es continua pura, ya que exhibe cierto grado de rizado u oscilación en torno a su valor medio. Los diodos que conducen en cada momento son aquellos en los que la tensión de la fase en la que van conectados supera a la de las otras dos. El rectificador trifásico de onda completa o puente de Graetz, está formado por seis diodos y tiene la ventaja del menor rizado. Este puente es de los más empleados en las aplicaciones industriales de potencia. 22

23 Los esquemas son similares a los anteriores, cambiando los diodos por semiconductores controlables, que normalmente son tiristores, así lograremos que la tensión de salida sea variable y con prestaciones más interesantes debido a esta circunstancia. El puente trifásico de onda completa o de Graetz es el más empleado desde el punto de vista industrial, ya que tiene las siguientes ventajas: Cargamos simétricamente línea trifásica. Se absorben menos armónicos de intensidad en la línea trifásica. La tensión continua es de rizado con menor amplitud y por tanto Los filtros para alisado son menores. Las prestaciones dinámicas son mayores, ya que con seis pulsos se puede variar el ángulo de encendido seis veces por periodo CIRCUITO INTERMEDIO. La etapa central es el denominado circuito intermedio de continua y que puede funcionar como fuente de tensión o intensidad para la etapa final del ondulador, según la disposición que se adopte. A veces al ondulador se le llama inversor tal como aparece en la figura, aunque es más correcto llamar inversor a todo el conjunto (rectificador, circuito intermedio y ondulador). La función del circuito intermedio es alimentar la tercera etapa, es decir al ondulador, y esto puede hacerlo funcionando como fuente de tensión, en cuyo caso se colocaría un condensador electrostático entre los terminales (+) y (-) para mantener constante la tensión y daría lugar a un inversor con circuito intermedio de tensión. Cuando el circuito intermedio funciona como fuente de intensidad para el ondulador, se pone una inductancia en serie con una de sus ramas, su función es mantener constante la intensidad, y estaríamos hablando de un inversor con circuito intermedio de intensidad. Según la configuración que se adopte las características del inversor son distintas y condiciona cuestiones tales como: armónicos, resistencia de frenado, gama de potencias, accionamiento para un solo motor o varios a la vez, etc ONDULADOR. 23

24 El ondulador es un conmutador electrónico que comunica alternativamente la tensión o intensidad continua del circuito intermedio sobre las fases del motor de ca conectado a sus salidas. La disposición más común es el puente trifásico de Graetz y está formado por semiconductores controlables que pueden ser tiristores, tiristores desconectables por puerta (GTO), transistores de potencia, IGBT (transistor bipolar de puerta aislada o MOSFET (transistor de efecto campo de óxido metálico). De los anteriores el que más se está utilizando para motores industriales de BT es el IGBT. En función de la mayor o menor perfección del sistema de conmutación lograremos que las ondas de tensión a la salida hagan que las corrientes absorbidas se acerquen más o menos al sistema trifásico senoidal. Hay distintas formas de regular la tensión de salida del inversor como son: Variar el valor de la tensión en el circuito intermedio.variar el ancho de la zona de conducción de cada semionda de salida. Variar la tensión de salida en función de la proporción entre los tiempos de conexión y desconexión de los semiconductores de potencia mediante la técnica de regulación PWM (iniciales de Modulación del Ancho de Pulso, en inglés). Además de regular la salida, este método tiene la ventaja de generar una onda de tensión de salida que mejora notablemente la onda de intensidad absorbida por el motor, lo cual hace que el motor funcione de forma semejante a si estuviera alimentado por tensiones senoidales de la red. Con ello se logra la grandísima ventaja de emplear motores normalizados de fabricación en serie sin la necesidad de fabricar motores específicos para poder ser regulados por convertidores. Los inversores con circuito intermedio de tensión son los más usados en aplicaciones prácticas, siendo su campo predominante el de las pequeñas y medianas potencias. Un inversor se elige en función de parámetros tales como: Accionar a un solo motor o varios. Banda necesaria de regulación y su precisión. Consecuencias sobre la red eléctrica del convertidor adoptado. Tiene sentido económico prever un retorno de energía? (Frenado regenerativo). Velocidad de respuesta para adaptarse a los cambios de consigna. 24

25 Para aprovechar al máximo el motor hay que controlarlo de modo que el flujo se aproxime lo más posible al nominal para el cual ha sido diseñado. Cuando el motor está regulado con flujo constante e igual al nominal presenta unas curvas características como las siguientes: Curvas de par-velocidad de un motor asíncrono alimentado a flujo constante. Una forma de lograr que el flujo sea constante de manera aproximada, es hacer que la tensión y la frecuencia varíen de forma proporcional. Sin embargo esto es sólo aproximado, y a medida que las frecuencias van bajando los flujos disminuyen también por lo que el par para bajas frecuencias disminuye de forma importante. Curvas de par-velocidad en régimen permanente para un motor asíncrono alimentado con tensión y frecuencia variable. Para lograr el funcionamiento con flujo constante es preciso que a bajas frecuencias la tensión sea más elevada que lo que dicta la ley sencilla de la proporcionalidad. Cuando la regulación necesaria para modificar la velocidad supera la frecuencia nominal (50 Hz), el flujo ha de disminuir, ya que la tensión no debe ser elevada para no sobrepasar las posibilidades dieléctricas del bobinado del motor. En este caso las curvas de par para frecuencias elevadas decrecen, por lo que habrá que verificar que los menores pares disponibles cumplen los requisitos de la máquina accionada a alta velocidad. En general en aquellos inversores con circuito intermedio de tensión, para el control del par electromagnético del accionamiento se emplean los siguientes métodos: Regular la tensión del estator en función de la frecuencia. (Control V/f). Regulación mediante la 25

26 descomposición vectorial de la intensidad del estator sobre unos ejes orientados con el flujo magnético. (Control vectorial) CONTROL V/f. Con este método la tensión de alimentación evoluciona proporcionalmente a la frecuencia. Cuando V/f es constante el motor funciona de forma aproximada con flujo constante en los regímenes permanentes. Este tipo de control es más fácil de llevar a la práctica en un convertidor y se suele emplear cuando los requisitos de regulación son de baja velocidad. Como hemos dicho anteriormente la proporcionalidad V/f desaparece en las bajas frecuencias, además la característica de la curva de par depende también de la frecuencia del rotor y de su temperatura, por lo que el dispositivo de control del convertidor ha de incluir las correspondientes correcciones. En los convertidores con este tipo de control, una de las parametrizaciones más importante es la selección o ajuste de la curva V/f. Algunos convertidores traen varias curvas ya ajustadas en su programación. Para seleccionar la curva adecuada se debe tener en cuenta las características de tensión y frecuencia del motor y la velocidad máxima a la que puede girar el rotor. 26

27 3.1.- INTRODUCCIÓN. UNIDAD 3. CONVERTIDORES DE DC CA. Un convertidor es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. Los convertidores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los convertidores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas. Un convertidor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Convertidores más avanzados han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores o los IGBT's. Convertidores más eficientes utilizan varios artificios para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. Condensadores e inductores pueden ser utilizados para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador. Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual es generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Un circuito lógico se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Convertidores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente. Convertidores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. Los convertidores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada) ANÁLISIS DEL CIRCUITO BÁSICO. La conversión del poder es el proceso de convertir el poder de una forma en otro. Esto podría incluir los procesos electromecánicos o electroquímicos. En la ingeniería eléctrica, la conversión del poder tiene un significado más específico, a saber convirtiendo energía eléctrica de una forma a otro. Esto podría ser tan sencillo como un transformador para cambiar el voltaje del poder de C.A. pero incluye también mucho más sistemas complejos. Los sistemas de la conversión del poder a menudo incorporan la regulación de la redundancia y el voltaje. 27

28 Los tipos típicos de la conversión incluyen: DC a DC. CA a DC (la alimentación) el Cambió-Modo alimentación de Rectificador. DC a CA (inversor). CA al regulador Transformador auto transformador del Voltaje de CA. El Voltaje a la corriente (la fuente actual). Ciertos circuitos especializados, tal como el transformador de flyback para un tubo de rayos catódicos, se pueden considerar también los convertidores del poder. CORRIENTE ALTERNA: Se denomina corriente alterna (abreviada CA en castellano y AC en inglés) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente, en oposición a la corriente continúa, en la que la dirección (esto es que pasa por cero) siempre permanece constante. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal, con lo que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en algunas aplicaciones, se utilizan otras formas de onda, tales como la triangular o la cuadrada. CORRIENTE CONTINUA: La corriente continua (c.c.) es el flujo continuo de electricidad a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (c.a.), en este caso, las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial. Aunque comúnmente se identifica la corriente continúa con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad INVERSOR CON TRANSISTOR BIPOLAR. El término transistor es la contracción de transfer resistor, es decir, de resistencia de transferencia. El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o conmutador electrónico. Es un componente clave en toda la electrónica moderna, donde es ampliamente utilizado formando parte de conmutadores electrónicos, puertas lógicas, memorias de ordenadores y otros dispositivos. En el caso de circuitos analógicos los transistores son utilizados como amplificadores, osciladores y generadores de ondas. Sus inventores, John Bardeen, William Bradford Shockley y Walter Brattain, lo llamaron así por la propiedad que tiene de cambiar la resistencia al paso de la corriente eléctrica entre el emisor y el colector. El transistor bipolar tiene tres partes, como el tríodo. Una que emite portadores (emisor), otra que los recibe o recolecta (colector) y la tercera, que esta intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). Su funcionamiento es análogo al del tríodo, por lo que es aconsejable leer lo que se dice en dicho artículo. En los transistores bipolares, una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la corriente que circula entre emisor y colector. La señal base-emisor puede ser muy pequeña en comparación con el emisor-colector. La corriente emisor-colector es 28

29 aproximadamente de la misma forma que la base-emisor pero amplificada en un factor de amplificación "Beta". El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, como todo amplificador puede oscilar, puede usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on-off. El transistor también funciona, por tanto, como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos como controladores de motores de DC y de pasos TIPOS DE TRANSISTOR. Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (bipolar junction transistor) y transistores de efecto de campo o FET (field effect transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc. La diferencia básica entre ambos tipos de transistor radica en la forma en que se controla el flujo de corriente. En los transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de entrada, el control se ejerce inyectando una baja corriente (corriente de base), mientras que en el caso de los transistores de efecto de campo, que poseen una alta impedancia, es mediante voltaje (tensión de puerta) TRANSISTORES BIPOLARES (BJT - BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR). PNP NPN Símbolos esquemáticos para los BJT de tipo PNP y NPN. B=Base, C=Colector y E=Emisor. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de efecto de campo o FET. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Los MOSFET tienen en común con los FET su ausencia de cargas en las placas metálicas así como un solo flujo de campo. Suelen venir integrados en capas de arrays con polivalencia de 3 a 4Tg. Trabajan, mayormente, a menor rango que los BICMOS y los PIMOS. Un transistor de juntura bipolar está formado por dos junturas PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones: Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor. 29

30 La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la juntura base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET - FIELD-EFFECT TRANSISTOR). P-channel N-channel Símbolos esquemáticos para los MOSFETs canal-n y canal-p. G=Puerta (Gate), D=Drenador (Drain) y S=Fuente (Source). Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal- Insulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es el Terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos. Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales TRANSISTORES Y ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en convertidores estáticos de potencia, principalmente Inversores INVERSOR CON TIRISTOR. El tiristor es un dispositivo semiconductor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Sus siglas en inglés son SCR (Silicón Controlled Rectifier). 30

31 Un tiristor posee tres conexiones: ánodo, cátodo y 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 tiristor no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. 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. Trabajando en corriente alterna el tiristor se desexcita en cada alternancia o ciclo. Los tiristores se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia y de control. Podríamos decir que un tiristor funciona como un interruptor electrónico. EL SCR Y LA CORRIENTE CONTINÚA: Rectificador controlado de silicio, estos elementos semiconductores son muy utilizados para controlar la cantidad de potencia que se entrega a una carga, donde: - A = ánodo. - C = cátodo, también representado por la letra K. - G = compuerta o gate. Tomar en cuenta el gráfico siguiente: ver que es un circuito de corriente continua. Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo en polarización directa. Si no existe corriente en la compuerta el tiristor no conduce. Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra no sea cero. Como se puede ver el SCR, tiene dos estados: 31

32 Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja. Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada. EL SCR Y LA CORRIENTE ALTERNA. Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. En el caso de la figura es un bombillo o foco. La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 120V c.a., 240V c.a., etc. El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. Puede verse que el voltaje en el condensador (en azul) está atrasado con respecto al voltaje de alimentación (en rojo) causando que el tiristor conduzca un poco después de que el tiristor tenga la alimentación necesaria para conducir. Durante el ciclo negativo el tiristor se abre dejando de conducir. Si se modifica el valor de la resistencia, por ejemplo si utilizamos un potenciómetro, se modifica el desfase que hay entre las dos tensiones antes mencionadas ocasionando que el SCR se active en diferentes momentos antes de que se desactive por le ciclo negativo de la señal. Y deje de conducir. EL TRIAC. El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa. La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera: La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba) 32

33 Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta). Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. (Recordar que un tiristor solo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor) Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume. Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase). Donde: - Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.). - L: lámpara. - P: potenciómetro. - C: condensador (capacitor). - R: Resistencia. - T: Triac. - A2: Ánodo 2 del Triac. - A3: Ánodo 3 del Triac. - G: Gate, puerta o compuerta del Triac. El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula). Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas. 33