Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniria electrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.
Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro electricos a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energia con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben sercapaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
En la grafica se muestra el compotamiento del diodo.
CARACTERISTICAS ESTATATICAS
Parámetros en bloqueo
- Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.
- Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.
- Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.
- Tensión inversa continua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.
Parámetros en conducción
Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms
Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conduccion
Los diodos son basicamente utlizados para rectificar la onda senoidal,en media onda y en onda completa que nos entrega la red electrica,para ello se utlizan varios circuitos de rectificacion como los siguientes:
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
El rectificador de media onda generalmente se usa sólo para aplicaciones de baja corriente, o de alta frecuencia, ya que requiere una capacitancia de filtrado mayor para mantener el mismo voltaje de rizado que un rectificador de onda completa.
RECTIFICACION CON TAP O DERIVCAION CENTRAL
El rectificador con derivación central disipa menos potencia, requiere menos espacio, y es, en teoría más económico que el puente de diodos, ya que solamente utiliza dos diodos en vez de cuatro. Al utilizar dos diodos, posee una impedancia menor que un puente. Sin embargo, para el mismo voltaje CD requerido en la salida, los diodos deben de tener el doble de voltaje pico inverso (PIV).
En este circuito, el diodo de arriba, conduce la corriente sobre el medio ciclo positivo de la entrada de AC, regresando por la derivación central del transformador; el diodo de abajo conduce la corriente sobre el medio ciclo negativo de la entrada de AC, regresando por la derivación central del transformador.
En una simulacion con el software proteus el circuito de veria de la siguiente manera:
En la imagen vemos una onda rectificada medida directamente con el osciloscopio del software.
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS
Durante el periodo t =0 a T/2 la polaridad de la entrada hace que D2 y D3 conduzcan, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado de no-conducción, para la región negativa de la entrada los diodos conductores son D1 y D4, después de un ciclo completo los voltajes de entrada y de salida aparecerán en el mismo eje x realizando así la rectificación de onda completa.
En la simulacion con el software proteus las ondas rectificadas y el circuito se ve de la siguiente manera:
RECTIFICACION NO CONTROLADA EN FUENTE TRIFASICA
Hablamos de una rectificacion no controlada cuando no podemos inteferir en la señal que le llega a la carga,son circuitos simples que solo hacen una rectificacion en la onda y no la podemos controlar.existen circuitos que se pueden adaptar a una rectificacion bifasica y trisfasico
En la grafica de la derecha observamos la rectificacion de las tres señales que entran directamente a los diodos y salen ya rectificadas hacia la carga.
onda azul:rectificacion.
onda amarilla:señal de la fuente
RECTIFICACION CONTROLADA
podemos hablar de rectificacion controlada cuando podemos interferir en el paso de la señal que a dirigida hacia la carga, para esto se utilizan otro tipo de elementos como los SCR,BJT DE POTENCIA,UJT,etc.Estos dispositivos soportan un alto nivel de corriente,y son muy utlizados en la industria,ya que con estos se pueden manejar cargas inductivas como capacitiv
SCR (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier ) rectificador controlado de silicio
SCR posee tres conexiones: anodo, catodo y gate ( puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
El pulso de disparo 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).
En esta grafica se muestra un circuito basico de activacion del scr,este circuito es muy fundamental para ya que es muy utilizable en los circuitos que necesitan un control de la carga.
Con un SCR o dos podemos controlar el encendido y la desactivacion de una carga de AC,se pueden utlizar circuito simples como vemos en la grafica izquierda.
En la grafica podemos apreciar que hay dos pulsadores,con un pulsador podemos activar el SCR y este dejara pasar señal a la carga.El otro pulsador lo podemos ultlizar para desactivar el SCR que ya activamos y bloquear la señal que le esta llegando a la carga con el otro SCR.
Este circuito se utliza para controlar cargas de corriente alterna como el encendido y apagado de una lampara incandesente.
TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA (BJT).
Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces es necesario la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos.
Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP.
zonas de funcionamiento del transistor bipolar
1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acu
sada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito.2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.
3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic).
4. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés
En la grafica que se ilustra a la derecha,podemos ver un circuito simple de activacion de un BJT con una fuente DC,pero tambien pude ser alimentado con corriente AC.
Este circuito es muy utlizado por su sencilles de montaje y muy efectivo al momento de actuar con la carga.
TRASNSISTOR UJT(UNIJUNTION TRASISTOR)
Físicamente el UJT consiste de una barra de material tipo N con conexiones eléctricas a sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexión hecha con un conductor de aluminio (E) en alguna parte a lo largo de la barra de material N.
contol minimo de la onda
En este circuito lo que hace el UJT es que El apacitor se carga hasta llegar al voltaje de disparo del transistor, cuando esto sucede este se descarga a través de la unión E-B1. Con este voltaje el UJT se apaga (deja de conducir entre E y B1) y el capacitor inicia su carga otra ves
El zener lo que hace es si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.
El potenciómetro lo que hace es variar la frecuencia de oscilacion se puede modificar con este elemento.
R3 lo que hace es proteger el E del UJT de una sobre corriente.
la f
Esto quiere decir que la frecuencia depende de cómo se varié el potenciómetro.
Con los anteriores elementos de potencia,podemos concluir:
Rectificacion no controlada de media onda y onda completa,esta la podemos hacer con los diodos de potecnia pero simplemente no tendriamos ningun control sobre la señal que le llega a la carga.
Rectificacion controlada,podemos hacerla mediante elementos rectificadores que se puedan controlar como el UJT,SCR,BJT,TRIAC,etc.Estos se pueden activar mediante pulsos de bajo nivel como se habia hablado anteriormente.
Los dispositivos de potencia se pueden utlizar para muchas aplicaciones como por ejemplo un rele de estado solido como lo veremos a continuacion.
RELE DE ESTADO SOLIDO (SSR)
El relé de estado sólido permite manejar cargas de corriente alterna, por ejemplo una lámpara incandescente o un pequeño motor, desde un circuito electrónico que genera señales de control de bajo nivel.
Un relé de estado sólido, como su nombre lo indica, es un dispositivo que utiliza un interruptor de estado sólido (por ejemplo un transistor o un tiristor), en lugar de contactos mecánicos (como los de los relés normales), para conmutar cargas de potencia a partir de señales de control de bajo nivel. Estas últimas pueden provenir, por ejemplo, de circuitos digitales y estar dirigidas a motores, lámparas, solenoides, calefactores, etc. El aislamiento entre la circuitería de control y la etapa de potencia lo proporciona generalmente un optoacoplador. La conmutación propiamente dicha puede ser realizada por transistores bipolares, MOSFETs de potencia, triacs, SCRs, etc.
Un relé de estado sólido ofrece varias ventajas notables respecto a los tradicionales relés y contactores electromecánicos: son más rápidos, silenciosos, livianos y confiables, no se desgastan, son inmunes a los choques y a las vibraciones, pueden conmutar altas corrientes y altos voltajes sin producir arcos ni ionizar el aire circundante, generan muy poca interferencia, proporcionan varios kilovoltios de aislamiento entre la entrada y la salida, etc. El proyecto es un relé de estado sólido cuya salida se hace a través de un triac, por lo tanto, está destinado a manejar cargas de corriente alterna.
Relés de estado sólido
Ventajas
-Conexión con o sin función de paso por cero
-Desconexión a I=0
-Gran resistencia a choques y vibraciones
-No ocasionan arcos ni rebotes al no existir partes móviles.
-Vida de trabajo óptima
-Frecuencia de conmutación elevada
-Facilidad de mantenimiento
-Funcionamiento silencioso
-Control a baja tensión, compatible
TTL/CMOS
Inconvenientes
Circuito de entrada muy sensible a perturbaciones
-Necesidad de elementos de protección externos
-Disipadores de calor
-Redes de protección
-Muy sensibles a la temperatura y a las sobretensiones
-Tecnológica y conceptualmente más complejos y abstractos
Relés electromagnéticos
Ventajas
-Económicos en consumo
-Reducción de dimensiones en aplicaciones de conmutación a baja potencia
-Gran diversidad en encapsulados
-Gran número de contactos
-Control indistinto CA/CC
-Tecnológica y conceptualmente muy evidentes
-Defectos conocidos, así como sus soluciones
Inconvenientes
-Ruido
-Dimensiones considerables en aplicaciones de control de potencia
-Presencia de chispas, arco y rebotes
-Más lento en la maniobra
-Vida útil menor
En el siguiente esquema vemos el circuito de un rele de estado solido casero simulado en el software de progamacion proteus.
el rele de estado solido a sido utilizado extensamente en la indutria,por su eficiencia y su sencilles de conexion a la carga.
En la grafica de la izquierda vemos el montaje real en protoboard de un RELE DE ESTADO SOLIDO .
