Electrónica de Potencia
Parte de la
Electrónica que estudia los dispositivos y
circuitos electrónicos usados para modificar
características de la energía eléctrica .
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.
El principal objetivo de esta
disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente.
Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Realmente, la Electrónica de Potencia está presente en toda
la tecnología, estamos rodeados de tecnología y, de momento, todo hay que
alimentarlo.
Fijémonos en los equipos domésticos (Iluminación, equipos de
música, televisión, video, electrodomésticos
Miremos a las aplicaciones industriales (cargadores de
baterías, coches eléctricos, centralitas telefónicas, motores,…) donde las
potencias pueden alcanzar ya niveles de kilovatios. Así, hasta llegar a las
grandes aplicaciones de la Electrónica de Potencia, la tracción eléctrica y la
generación, transporte y almacenamiento de energía, donde ya hablamos de
niveles de potencia de negavatios, con tensiones de miles de voltios y
corrientes de miles de amperios.
Y, ¿dónde está la Electrónica de Potencia en estas
aplicaciones?
Pues básicamente está en los propios generadores eólicos, en las
transformaciones energéticas necesarias para transportar la energía por el mar
hacia tierra y en la inyección de esta energía a la red eléctrica, con los
niveles y restricciones que cada uno de estos puntos imponga a la conversión energética,
para que esta pueda ser lo más eficiente, robusta y económica posible.
Dispositivos de la electrónica de potencia
-Tener dos estados: 1. alta impedancia (bloqueo) 2. Baja
impedancia (conducción).
-Capacidad de soportar: 1. intensidades altas con caídas de
tensión bajísimas en estado de conducción y 2. tensiones altas con corrientes
de fugas bajísimas en estado de bloqueo.
-Rapidez de funcionamiento: Capacidad de trabajo a
frecuencias altas.
Los dispositivos electrónicos que cumplen los requisitos
anteriores, los más importantes son los:
-Transistores de potencia
-Tiristores.
Diodo
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.
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 encorriente continua.
Diodo Schottky
El diodo
Schottky o diodo de barrera Schottky, ,es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de
conducción directa e inversa (menos de 1n s en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones
umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren
a ella como "knee", es decir, rodilla).
La tensión de codo es la
diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor
en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es
cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que
a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo
haría regularmente.
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente
cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta
la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en
peligro el dispositivo.
Diodos rectificadores
Los
diodos rectificadores se emplean para la conversión de corriente alterna (c.a.)
a continua (c.c.). Aún habiendo sido optimizados para lograr unas bajas
pérdidas en conducción, los Diodos Rectificadores tan sólo soportan
solicitaciones dinámicas moderadas en el paso del estado de conducción al de
bloqueo.
Diodos Rápidos
Los Diodos Rápidos, por
otra parte, son dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de
conversión de corriente continua a corriente alterna. Cada conmutador (GTO,
IGCT o IGBT) requiere de un diodo complementario (p. ej., la "libre circulación"
de potencia reactiva) para permitirel funcionamiento del sistema convertidor de
continua a alterna con cargas inductivas.
Los Diodos Rápidos están optimizados para soportar solicitaciones dinámicas elevadas (transición rápida del estado de conducción al de bloqueo). Sin embargo, por lo general presentan unas pérdidas en conducción superiores a los Diodos Rectificadores. Para cada familia de conmutadores (GTOs, IGCTs y IGBTs) disponemos de Diodos Rápidos que han sido optimizados para aplicaciones con conmutadores.
Tiristor
Es un componente electrónico constituido
por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de
los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la
temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como
conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la
corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control depotencia
eléctrica.
El tiristor es un conmutador
biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de
dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin
tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes
sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley.
Funcionamiento
El
diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un
pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o
en inglés, gate) cuando
hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo
es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la
fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente
en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el
tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el
punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por
avalancha en la unión).
Aplicaciones
Normalmente son usados en
diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente
usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la
conexión o desconexión del dispositivo.
Se puede decir que el dispositivo opera
de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a
conducir corriente en fase con
el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación
de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma
completa al estado de encendido.
No se debe confundir con la operación
simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al
ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
Los
tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores
accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el
voltaje en corriente alterna.
Rectificador controlado de silicio
El rectificador
controlado de silicio (SCR) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.
Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta).
La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el
cátodo. Funciona básicamente como undiodo rectificador controlado, permitiendo circular la
corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la
puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique
dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en
corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir
el circuito.
El pulso de conmutación ha de ser de
una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este
último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el
punto (o la fase) en el que la
corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de
puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga
disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando
la onda senoidal cruza por cero)
Cuando se produce una variación
brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y
entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como
característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener
bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito
existente entre la puerta y el ánodo.
Los SCR se utilizan en aplicaciones
de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de
motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.
Tiristor TRIAC
Un TRIAC o Triodo
para Corriente Alterna es un
dispositivo semiconductor, de la
familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es
unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse
que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su
estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en
direcciones opuestas.
Posee
tres electrodos: A1, A2 (en este
caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se
realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
Tiristor GTO
Un Tiristor GTO o simplemente (GTO )es un
dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo
pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el
tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de
corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de
encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la
puerta (G).
El
proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado
son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las
terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece.
Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente
de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza
a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta,
típicamente menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente
y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón
(IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la
puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por
ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO
normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para
el apagado.
Transistor
Un transistor es un dispositivo
semiconductor usado para amplificar e interrumpir señales electrónicas
o potencia eléctrica. Está compuesto de materiales semiconductores con por lo
menos tres terminales para conexión externa al circuito. Gracias a que la
potencia de salida puede ser más grande que la potencia de control un
transistor puede amplificar una señal. Algunos transistores aun son construidos
en encapsulados individuales, pero la mayoría son construidos como parte de circuitos integrados.
Transistor BJT
El transistor
de unión bipolar ( 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.
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 emisorde portadores de
carga.
·
Base, la intermedia, muy estrecha, que
separa el emisor del colector.
·
Colector, de extensión mucho mayor.
Transistor mosfet
El transistor de efecto de campo
metal-óxido-semiconductor o MOSFET es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más
utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o
digitales, aunque el transistor
de unión bipolar fue mucho más
popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en
transistores MOSFET.
El
MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados surtidor (S), drenador
(D), compuerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está
conectado internamente al terminal del surtidor, y por este motivo se pueden
encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.
Existen dos tipos de
transistores MOSFET, ambos basados en la estructura
MOS.
Los
MOSFET de enriquecimiento se basan en la creación de un canal
entre el drenador y el surtidor, al aplicar una tensión en la compuerta. La
tensión de la compuerta atrae portadores minoritarios hacia el canal, de manera
que se forma una región de inversión, es decir, una región con dopado opuesto
al que tenía el sustrato originalmente.
El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal.
El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo
un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo
n, mientras que un transistor PMOS se construye con un sustrato tipo n y tiene
un canal de tipo p.
Los
MOSFET de empobrecimiento tienen un canal conductor en su estado
de reposo, que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación de la tensión
eléctrica en la compuerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de
portadores de carga y una disminución respectiva de la conductividad.
Transistor IGBT
El transistor bipolar de puerta
aislada (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 para la entrada de control y un
transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de
excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de
conducción son como las del BJT.
Los
transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta
entonces, en particular en los Variadores
de frecuencia así como en las
aplicaciones en máquinas
eléctricas y convertidores de
potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos
particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión,barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, Sistemas de Alimentación
Ininterrumpida .
Cestionario
-¿La electrónica de potenciaque nos permite ?
R= adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines
-¿Es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido?
a) diodo b )transistor c )tiristor
-Se emplean para la conversión de corriente alterna (c.a.) a continua (c.c.)
a) diodo b )transistor c )tiristor d ) diodos rectificadores
-¿Que es un diodo de barrera Schottky ?
R=es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa muy bajas tensiones umbral.
-Mensiona que es un diodo rapido .
R = son dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de conversión de corriente continua a corriente alterna
-Es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.
a )transistor b )tiristor c ) diodos rectificadores
-Se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.
a )SCR b ) tiristor c ) GTO
-?Que es un transistor ?
R =es un dispositivo semiconductor usado para amplificar e interrumpir señales electrónicas o potencia eléctrica
-Es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas
a) BJT b)IGTB c)MOSFET
Blibliografia
http://eueti.uvigo.es/files/material_docente/671/introduccion_parte_i.pdf
http://www.abb.com.mx/product/db0003db004291/c125739900722305c1256f18003c1401.aspx
http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor_GTO
http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/transistoresIGBT.html
http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET
