Electrónica de potencia
Objetivo:
Conocer y aprender a diferenciar entre los diferentes tipos de electrónica y la electrónica de potencia, así ademas de descubrir las partes que la conforman, tomando como inicio su significado hasta las partes que la componen y su aplicación.
Significado:
La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles. En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. 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 y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores.
Partes de un equipo electrónico de Potencia:
Un equipo de electrónica de potencia consta de dos principales elementos los cuales son:
- Un circuito de Potencia; compuesto por semiconductores de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la carga.
- Un circuito de mando; que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera una señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.
En la electrónica de potencia, el concepto principal es el rendimiento. El elemento de base no puede trabajar en régimen de amplificación pues la perdidas serian elevadas, es necesario trabajar en régimen de conmutación, siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja como interruptor. Este componente trabajando en conmutación deberá cumplir las siguiente características:
- Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).
- Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con pequeña potencia de control.
- Ser capaz de soportar altas tensiones cuando está bloqueado y grandes intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando está en conducción.
- Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
Así que podemos definir la electrónica de potencia de la siguiente manera:
La electrónica de potencia es la parte de la electrónica encargada del estudio de dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la energía eléctrica.
En general los sistemas de potencia se utilizan para accionar cualquier dispositivo que necesite una entrada de energía eléctrica a la que suministra la fuente de alimentación primaria. Principales ejemplos:
- Rectificadores
- Reguladores
- Cambiadores de frecuencia
- Inversores
- Troceadores
Es importante considerar no solo los mencionados convertidores de potencia por separado, sino también las posibles asociaciones entre ambos.
Dispositivos de la electrónica de potencia
Clasificación:
- 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.
- Dispositivos semiconductores: en este grupo se encuentran dentro de la familia de los tiristores, los SCR (Rectificador Controlado de Silicio) y los TRIAC. En este caso su puesta en conducción se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo; es decir se tiene el control externo de la puesta en conducción, pero no así el bloqueo del dispositivo.
- Dispositivos totalmente controlados: en este grupo se encuentran los transistores bipolares BJT, MOSFET, IGBT y los tiristores GTO.
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.
Schottky: Es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1 ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral. 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.
De recuperación rápida:Son dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de conversión de corriente continua a corriente alterna.Cada conmutador requiere de un diodo complementario para permitir el funcionamiento del sistema convertidor de continua a alterna con cargas inductivas.
Rectificadores: Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua.
Tiristores:
Es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP).
SCR: El SCR (Silicon Controled Rectifier / Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.
A = ánodo, G = compuerta o Gate y C = K = cátodo
Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.
TRIAC: 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.
A1: Ánodo 1, A2: Ánodo 2, G: Compuerta
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 de un capacitor causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta.
GTO: El GTO o Gate Turn-Off SCR es un tiristor que puede ser disparado con un pulso positivo a su terminal Gate y bloqueado si se aplica un impulso negativo a ese mismo terminal. El GTO se emplea actualmente en muchas aplicaciones interesantes en el dominio de altas potencias cuyo control se realiza fácilmente mediante transistores bipolares. Los bajos requerimientos de potencia de su control facilitan la aplicación de técnicas de modulación de anchura de pulsos.
Transistor:
El transistor de unión bipolar 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.
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: 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.
IGBT: 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.
Cuestionario:
1.- ¿Que es la electrónica de potencia.?
2.- Menciona las partes básicas de un dispositivo de potencia.
3.- Menciona las aplicaciones de la electrónica de potencia.
4.- ¿Cual es la clasificación de los dispositivos de potencia.?
5.- Explica brevemente que es un diodo.
6.- Menciona los tipos de diodos mencionados.
7.- Explica brevemente que es un tiristor.
8.- Menciona los tipos de tiristores mencionados.
9.- Explica brevemente que es un transistor.
10.- Menciona los tipos de transistores mencionados.
Bibliografía:
http://www.unicrom.com/tut_variantes_SCR.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET
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