UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO - PUNO ELECTRNICA DE POTENCIA

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOFACULTAD DE INGENIERA MECNICA-ELCTRICA, ELECTRNICA Y SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICAELCTRICA

TRABAJO ENCARGADO N 01EVOLUCION DE LOS DISPOSITIVOS DE ELECTROCINA DE POTENCIACURSO: ELECTRONICA DE POTENCIADocente: Ing. Jos Manuel Ramos CutipaPresentado por: Condori Ticona Wilson UliserCdigo: 071354Semestre: 6TO

Puno, NOVIEMBRE del 2013IntroduccinDentro de los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y el diodo Shockley.Existen tiristores de caractersticas especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).Lo ms importante a considerar de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los electrodos principales.El componente bsico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Ahora veremos los tres bloques bsicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales:

Semiconductores de alta potenciaDispositivoIntensidad mxima

Rectificadores estndar o rpidos50 a 4800 Amperios

Transistores de potencia5 a 400 Amperios

Tiristores estndar o rpidos40 a 2300 Amperios

GTO300 a 3000 Amperios

Aplicaciones: Traccin elctrica: troceadores y convertidores. Industria: Control de motores asncronos. Inversores. Caldeo inductivo. Rectificadores. Etc.Mdulos de potenciaDispositivoIntensidad mxima

Mdulos de transistores5 a 600 A. 1600 V.

SCR / mdulos rectificadores20 a 300 A. 2400 V.

Mdulos GTO100 a 200 A. 1200 V.

IGBT50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones: Soldadura al arco. Sistema de alimentacin ininterrumpida (SAI). Control de motores. Traccin elctrica.

Semiconductores de baja potenciaDispositivoIntensidad mxima

SCR0'8 a 40 A. 1200 V.

Triac0'8 a 40 A. 800 V

Mosfet2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones: Control de motores. aplicaciones domsticas. Cargadores de bateras. Control de iluminacin. Control numrico. Ordenadores, etc.Aplicaciones generales: evolucin prctica

Evolucin de los componentes electrnicos.

Se considera que la electrnica comenz con eldiodode vaco inventado porJohn Ambrose Flemingen1904. El funcionamiento de este dispositivo est basado en elefectoEdison.Edisonfue el primero que observ en1883la emisintermoinica, al colocar una lmina dentro de unabombillapara evitar el ennegrecimiento que produca en la ampolla de vidrio el filamento decarbn. Cuando se polarizaba positivamente la lmina metlica respecto al filamento, se produca una pequea corriente entre el filamento y la lmina. Este hecho se produca porque loselectronesde lostomosdel filamento, al recibir una gran cantidad deenergaen forma decalor, escapaban de la atraccin del ncleo (emisin termoinica) y, atravesando el espacio vaco dentro de la bombilla, eran atrados por la polaridad positiva de la lmina.

El otro gran paso lo dioLee DeForestcuando invent eltrodoen1906. Este dispositivo es bsicamente como el diodo de vaco, pero se le aadi una rejilla de control situada entre elctodoy la placa, con el objeto de modificar la nube electrnica del ctodo, variando as la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricacin de los primerosamplificadoresde sonido, receptores deradio, televisores, etc.Dispositivos semiconductores de PotenciaPara estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan deldiodoo eltransistor. Entre estos se encuentran los siguientes:1. Rectificador controlado de silicio(SCR en ingls)Elrectificador controlado de silicio(en inglsSCR:Silicon Controlled Rectifier) es un tipo detiristorformado por cuatro capas de materialsemiconductorcon estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unin deTiratrn(tyratron) yTransistor.

Tiristor.Un SCR posee tres conexiones:nodo,ctodoygate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el nodo y el ctodo. Funciona bsicamente como undiodorectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensin en la puerta del SCR no se inicia la conduccin y en el instante en que se aplique dicha tensin, el tiristor comienza a conducir. Trabajando encorriente alternael SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.El pulso de conmutacin ha de ser de una duracin considerable, o bien, repetitivo si se est trabajando encorriente alterna. En este ltimo caso, segn se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o lafase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensin de puerta y el tiristor continuar conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la prctica, cuando la onda senoidal cruza por cero)Cuando se produce una variacin brusca de tensin entre nodo y ctodo de un tiristor, ste puede dispararse y entrar en conduccin an sin corriente de puerta. Por ello se da como caracterstica la tasa mxima de subida de tensin que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parsito existente entre la puerta y el nodo.Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrnica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrnico.Tiristor tetrodo: Son tiristores con dos electrodos de disparo: puerta de nodo (anode gate) y puerta de ctodo (cathode gate). ElBRY39es un tiristor tetrodo.Parmetros del SCR -VRDM:Mximo voltaje inverso de cebado (VG = 0) -VFOM:Mximo voltaje directo sin cebado (VG = 0) -IF:Mxima corriente directa permitida. -PG:Mxima disipacin de potencia entre compuerta y ctodo. -VGT-IGT:Mximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado -IH:Mnima corriente de nodo requerida para mantener cebado el SCR -dv/dt:Mxima variacin de voltaje sin producir cebado. -di/dt:Mxima variacin de corriente aceptada antes de destruir el SCR2. TriacUnTriacoTriodo para Corriente Alternaes un dispositivosemiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con untiristorconvencional es que ste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podra decirse que el TRIAC es uninterruptorcapaz de conmutar lacorriente alterna.Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposicin que formaran dosSCRen direcciones opuestas.Posee treselectrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominacin de nodo y ctodo) ypuerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodopuerta.TRIACTriodo para Alternar Corriente

Algunos ejemplos de TRIAC

TipoSemiconductor

Smbolo electrnico

ConfiguracinEntrada, Salida y Puerta (G)

Aplicaciones ms Comunes Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilizacin comointerruptoresttico ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecnicos convencionales y losrels. Funciona como interruptor electrnico y tambin a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones comoatenuadoresde luz, controles de velocidad para motores elctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores elctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda deCorriente alterna.Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.Control de Fase (potencia)En la figura "control de fase" se presenta una aplicacin fundamental del triac. En esta condicin, se encuentra controlando la potencia de ac a la carga mediante la conmutacin de encendido y apagado durante las regiones positiva y negativa de la seal senoidal de entrada. La accin de este circuito durante la parte positiva de la seal de entrada, es muy similar a la encontrada para el diodoShockley. La ventaja de esta configuracin es que durante la parte negativa de la seal de entrada, se obtendr el mismo tipo de respuesta dado que tanto el diac como el triac pueden dispararse en la direccin inversa. La forma de onda resultante para la corriente a travs de la carga se proporciona en la figura "control de fase". Al variar la resistencia R, es posible controlar el ngulo de conduccin. Existen unidades disponibles actualmente que pueden manejar cargas de ms de 10kW. (Boylestad)3. Transistor IGBTSigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aisladaEltransistor bipolar de puerta aislada(IGBT, delinglsInsulated Gate Bipolar Transistor) es undispositivosemiconductorque generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos deelectrnica de potencia. Este dispositivo posee la caractersticas de las seales de puerta de lostransistores de efecto campocon la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturacin deltransistor bipolar, combinando una puerta aisladaFETpara la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitacin del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las caractersticas de conduccin son como las del BJT.Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no haban sido viables hasta entonces, en particular en losVariadores de frecuenciaas como en las aplicaciones enmquinas elctricasy convertidores de potencia que nos acompaan cada da y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso:automvil,tren,metro,autobs,avin,barco,ascensor,electrodomstico,televisin,domtica,Sistemas de Alimentacin IninterrumpidaoSAI(en Ingls UPS), etc.

Smbolo ms extendido del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E).

CaractersticasEl IGBT es adecuado para velocidades de conmutacin de hasta 100kHzy ha sustituido alBJTen muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energa comofuente conmutada, control de la traccin en motores ycocina de induccin. Grandes mdulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos deamperioscon voltajes de bloqueo de 6.000voltios.Se puede concebir el IGBT como untransistor Darlingtonhbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conduccin. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacin de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrnica de potencia es intermedio entre lostiristoresy losmosfet. Maneja ms potencia que los segundos siendo ms lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Circuito equivalente de un IGBT.Este es un dispositivo para la conmutacin en sistemas dealta tensin. La tensin de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una seal elctrica de entrada muy dbil en la puerta.

Seccin de un IGBT.4. Tiristor GTOSigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuertaUnTiristor GTOo simplementeGTO(delinglsGate Turn-Off Thyristor) es un dispositivo deelectrnica de potenciaque 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 caractersticas de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a travs de las terminales puerta (G) y ctodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su mximo valor, IGR, la corriente de nodo comienza a caer y el voltaje a travs del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de cada de la corriente de nodo (IA) es abrupta, tpicamente menor a 1 us. Despus de esto, la corriente de nodo vara lentamente y sta porcin de la corriente de nodo es conocido como corriente de cola.La razn (IA/IGR) de la corriente de nodo IA a la mxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comnmente 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.Estructura y funcionamientoLa estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Existen 4 capas de silicio (PNPN), 3 uniones (P-N, N-P y P-N) y tres terminales: nodo (A), ctodo (C o K) y puerta (G). La diferencia en la operacin radica en que una seal negativa en la puerta (G) puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista seal en la puerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el nodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinmico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicacin de una voltaje en inversa, solo una pequea corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarizacin en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje de ruptura inverso depende del mtodo de fabricacin para la creacin de una regeneracin interna para facilitar el proceso de apagado. Con un voltaje de polarizacin directo aplicado al nodo y un pulso de corriente positiva es aplicada a la puerta G (gate), el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para sta condicin, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de nodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la accin regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el mtodo ms recomendable porque proporciona un mejor control. Como el GTO tiene una conduccin de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, ste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutacin rpida son preferibles. En la conversin de AC - DC, los GTO's, son tiles porque las estrategias de conmutacin que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

5. Tiristor IGCTSigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuertaUnTiristor Controlado por Puerta Integradao simplementeTiristor IGCT(delinglsIntegrated Gate-Commutated Thyristor) es un dispositivo semiconductor empleado enelectrnica de potenciapara conmutarcorriente elctricaen equipos industriales. Es la evolucin delTiristor GTO(delinglsGate Turn-Off). Al igual que el GTO, el IGCT es un interruptor controlable, permitiendo adems de activarlo, tambin desactivarlo desde el terminal de control Puerta o G (del ingls Gate). La electrnica de control de la puerta est integrada en el propio tiristor.

Smbolo electrnico del tiristor IGCT.6. Tiristor MCTSigla para MOS Controlled ThyristorLa abreviacinMCTsignifica MOS Controlled Thyristor, o en castellano, tiristor controlado por MOS.Es un dispositivo semiconductor desarrollado originalmente porMotorolay que combina las caractersticas de un tiristor y una compuerta MOS (metal oxide semiconductor).Convertidores de la Energa ElctricaConversin de potencia es el proceso de convertir una forma de energa en otra, esto puede incluir procesos electromecnicos o electroqumicos.Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominanconvertidores estticos de potencia, clasificados en: Rectificadores: conviertencorriente alternaencorriente continua Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna Ciclo conversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor o mayor tensinEn la actualidad esta disciplina est cobrando cada vez ms importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrnicos en comparacin a los mtodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolucin fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribucin elctrica o manejo de potentes motores.

AplicacionesLas principales aplicaciones de losconvertidores electrnicos de potenciason las siguientes: Fuentes de alimentacin:En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentacin electrnicas, denominadasfuentes de alimentacin conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reduccin de volumen necesario. El ejemplo ms claro de aplicacin se encuentra en la fuente de alimentacin de losordenadores. Control demotores elctricos:La utilizacin de convertidores electrnicos permite controlar parmetros tales como la posicin, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta tcnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulacin de velocidad que permite ahorrar energa. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en traccin ferroviaria, principalmente en vehculos aptos para corriente continua (C.C.) durante las dcadas de los aos 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energa a las necesidades reales del motor de traccin, en contraposicin con el consumo que tenan los vehculos controlados por resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo vlido, pero ya no se emplea en la fabricacin de nuevos vehculos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifsico, mucho ms potente y fiable que el motor de colector. Calentamiento porinduccin:Consiste en el calentamiento de un material conductor a travs del campo generado por un inductor. La alimentacin del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrnicos de frecuencia. La aplicacin ms vistosa se encuentra en las cocinas de induccin actuales. Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrnica de potencia. Adems de las ya comentadas destacan:sistemas de alimentacin ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrnicos para iluminacin a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energa renovables y la red elctrica, etc.Las lneas de investigacin actuales buscan la integracin de dispositivos de potencia y control en un nico chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamientoentre zonas trabajando a altas tensiones y circuitera de control, as como ladisipacinde la potencia perdida.