Portafolio Unidad 1 Electronica de Potencia

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA

INSTITUTO TECNOLÓGICO Ingeniería en Mecatronica DE PABELLÓN DE ARTEAGA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS UNIDAD 1

PRESENTA:

Daniel Andrade Martínez Lucas Daniel Pedrosa Sánchez Marco Antonio Luna Rios

DOCENTE:

Raúl Llamas Esparza

Docente: RAUL LLAMAS ESPARZA

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica

Temario unidad 1: Semiconductores de Potencia 1.1 Diodos potencia

de

Semiconductores 1.2 Transistores de de Potencia Potencia

1.3 Aplicaciones en Maquinas Eléctricas

1.1.1 Características y Parámetros 1.1.2 Rectificadores Monofásicos y Polifásicos 1.1.3 Aplicaciones industriales industriales 1.1.4 Alimentación de motores C.C. 1.2.1 Tipos de Transistores Bipolares (BJT) 1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS) 1.2.3 Transistor bipolar de Puerta Aislada (IGBT) 1.2.4 Características y Parámetros 1.3.1 Arranque y paro de un Motor C.C. con un IGBT 1.3.2 Control de Velocidad de Motores de C.C.

1.4 Circuitos de Control Hibrido



1.1 Diodos de potencia El diodo de potencia Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. 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 sent ido inverso, deben ser capaces ca paces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

El diodo responde a la ecuación:

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde: VRRM: VD: tensión de codo.

tensión

inversa

máxima

A continuación, continuación, vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar agrupar de la siguiente forma: 

Características estáticas:


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Parámetros en bloqueo (polarización inversa). Parámetros en conducción. Modelo estático. Características dinámicas: Tiempo de recuperación inverso (t rr ). ). Influencia del t rr en en la conmutación. Tiempo de recuperación directo. Potencias: Potencia máxima disipable. Potencia media disipada. Potencia inversa de pico repetitivo. Potencia inversa de pico no repetitivo. Características térmicas. Protección contra sobreintensidades. o o o



o o o



o o o o

 

Características estáticas

Los diodos de uso general están disponibles hasta 6000 V, 4500 A, con un tiempo de recuperación inversa de 25 µ s y la especificación de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 6000 V, 1100 A. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0.1 y 5 µ s. Los diodos de recuperación rápida son esenciales esen ciales para la interrupción de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un cátodo y un ánodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperación muy pequeño, típicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de su ánodo es más alto que el de su cátodo; siendo la caída de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, típicamente 0.5 y 1.2 V.


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Si el voltaje de cátodo es más alto que el voltaje de ánodo, se dice que el diodo está en modo 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 aquélla 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. Tiempo de recuperación inverso El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una corriente IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo tan llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La corriente todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores. El fenómeno de recuperación inversa determina la máxima frecuencia de operación del diodo de acuerdo con la expresión:

1.1.2 Características de los Diodos



1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos. Rectificadores Los diodos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la electrónica y en los circuitos de ingeniería eléctrica. Los diodos también son ampliamente utilizados en los circuitos en los circuitos de electrónica de potencia para la conversión de energía eléctrica.

Rectificadores Monofásicos de Media Onda Un rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal unidireccional. Los diodos se usan extensamente en los rectificadores. Un rectificador Monofásico de media onda es el tipo más sencillo, pero no se utiliza normal



Parámetros de Rendimiento Aunque el voltaje de salida, tal como aparece en la figura, es de cd, es discontinuo y contiene armónicas. Un rectificador de potencia es un procesador de p otencia que debe proporcionar una salida de cd con una cantidad mínima de contenido armónico. Al mismo tiempo, deberá mantener la corriente de entrada tan sinusoidal como sea posible y en fase con el voltaje de entrada, de tal forma que el factor de potencia esté cercano a la unidad.

Parámetros de Rendimiento La caída del procesamiento de energía de un rectificador requiere de la determinación del contenido armónico de la corriente de entrada, del voltaje de salida. Utilizaremos las expansiones de la serie de Fourier para encontrar el contenido armónico de voltajes y corrientes. Hay distintos tipos de circuitos rectificadores y los rendimientos de un rectificador se evalúan normalmente en función de los parámetros siguientes: -El valor promedio del voltaje de salida (o de carga), -El valor promedio de la corriente de salida (de carga), -La potencia en cd = -El valor medio cuadrático (rms) del voltaje de salida, -El valor medio cuadrático (rms) de la corriente de salida,

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Parámetros de Rendimiento Los cálculos para determinar el valor promedio del voltaje de salida (rms) de la corriente de salida, se realiza de la siguiente manera:

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Parámetros rectificadores de media onda


 y el valor medio cuadrático


1.1.3 Aplicaciones industriales. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Módulos de potencia Varios dispositivos en un encapsulado común Alta potencia Aplicaciones Industriales Se pueden pedir a medida Motores Satélites

Las aplicaciones industriales de Los diodos de potencia son: principalmente en los rectificadores. Y en los siguientes componentes: Abre puertas eléctricos, acondicionamiento del aire, alarmas contra robo, arrancadores para turbina de gas, atenuadores luminosos, calderas, calefacción por inducción, cargador de baterías, centelladores luminosos charolas para calentar alimentos, cobijas eléctricas, computadoras, conductores, controladores de calor, controladores lineales de motor de inducción, corriente directa de alto voltaje,(HVDC),crisoles, Electro deposito electromecánico, electrodomésticos, electroimanes, elevadores, estibadores ,excitadores de generador, exhibidores, fuentes de alimentación para laser, grabaciones magnéticas, grúas y tornos, herramientas manuales de potencia ,hornos de cemento, ignición electrónica ,iluminación de alta frecuencia, juegos, licuadoras, locomotoras, mescladoras de alimento, molinos, relevadores de enganche, secadoras de ropa, secadoras eléctricas, vehículos eléctricos, ventiladores eléctricos, fuentes de alimentación para radar/sonar ,minería, control de hornos ,controles de motor, circuitos de televisión, generadores ultrasónicos, propulsores motores, interruptores estáticos, bombas y compresores, fotocopias, controles de señales de tránsito, trasmisores de muy baja frecuencia, sistemas de seguridad, amplificadores de radio frecuencia ,relevadores estáticos ,controles de temperatura ,prensas de impresión, balastros para lámpara de mercurio, soldaduras, lavadoras, arranque de máquinas síncronas, proyectores de cine, reguladores de voltaje, temporizadores ,máquinas de coser, contactores de estado sólido, refrigeradores.



1.1.4 Alimentación de motores de c.c. El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC por las iniciales en inglés direct current ) es una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Un motor de corriente continua se compone principalmente de dos partes. El estátor da soporte mecánico al aparato y contiene los polos de la máquina, que pueden ser o bien devanados de hilo de cobre sobre un núcleo de hierro, o imanes permanentes. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa a través de delgas, que están en contacto alternante con escobillas fijas (también llamadas carbones). El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy costoso y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas o carbones al entrar en contacto con las delgas. Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de DC sin escobillas (brushless en inglés) utilizados en el aeromodelismo por su bajo par motor y su gran velocidad. Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de motores de corriente continua. Cuando un conductor, por el que pasa una corriente eléctrica, se sume rge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, de acuerdo con la Fuerza de Lorentz:     

F: Fuerza en newtons I: Intensidad que recorre el conductor en amperios L: Longitud del conductor en metros B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas Φ: Ángulo que forma I con B

Fuerza contra electromotriz inducida en un motor

Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza. La polaridad de la tensión en los generadores es opuesta a la aplicada en los bornes del motor. Durante el arranque de un motor de corriente continua se producen fuertes picos de corriente ya que, al estar la máquina parada, no hay fuerza contra electromotriz y el bobinado se comporta como un simple conductor de baja resistencia.

La fuerza contra electromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del motor y del flujo magnético del sistema inductor. Número de escobillas

Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutral. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número total de delgas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos. En realidad, si un motor de corriente continua en su inducido lleva un bobinado imbricado, se deberán poner tantas escobillas como polos tiene la máquina, pero si en su inducido lleva un bobinado


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica ondulado, como solo existen dos trayectos de corriente paralela dentro de la máquina, en un principio es suficiente colocar dos escobillas, aunque si se desea se pueden colocar tantas escobillas como polos. Sentido de giro

En máquinas de corriente directa de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por histéresis.

Reversibilidad

Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar el rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía eléctrica. En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector delga, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contra electromotriz en energía mecánica. En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo magnético del inductor principal en el estátor.

Variaciones en el diseño del motor Los motores de corriente continua se construyen con rotores bobinados, y con estátores bobinados o de imanes permanentes. Además, existen muchos tipos de motores especiales, como por ejemplo los motores sin escobillas, los servomotores y los motores paso a paso, que se fabrican utilizando un motor de corriente continua como base.

Motores con estátor bobinado

Si el estátor es bobinado, existen distintas configuraciones posibles para conectar los dos bobinados de la máquina: 





Motor serie o motor de excitación en serie: el devanado de estátor y el devanado de rotor se conectan en serie. Motor shunt o de excitación en paralelo: el devanado de estátor y de rotor se conectan en paralelo. Motor de excitación compuesta o motor compound : se utiliza una combinación de ambas configuraciones.



Motores de imán permanente

Los motores de imán permanente tienen algunas ventajas de rendimiento frente a los motores síncronos de corriente continua de tipo excitado y han llegado a ser el predominante en las aplicaciones de potencia fraccionaria. Son más pequeños, más ligeros, más eficaces y fiables que otras máquinas eléctricas alimentadas individualmente.

Motores sin escobillas

Los motores de corriente directa sin escobillas están diseñados para conmutar la tensión en sus devanados, sin sufrir desgaste mecánico. Para este efecto utilizan controladores digitales y sensores de posición. Estos motores son frecuentemente utilizados en aplicaciones de baja potencia, por ejemplo, en los ventiladores de computadoras.



1.2. Transistores de potencia. Los transistores de potencia tienen características controladas de activación y desactivación. Los transistores, se utilizan como elementos conmutadores, se operan en la región de saturación lo que da como resultado en una caída de voltaje bajo en estado activo. La velocidad de conmutación de los transistores modernos es mucho mayor que la de los tiristores por lo que se utilizan en forma amplia en convertidores de C.A.-C.D. y C.D-C. A; con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar un flujo de corriente bidireccional. Sin embargo, las especificaciones de voltaje y de corriente son menores que las de los tiristores y por lo que, los transistores de potencia se pueden clasificar de manera general en cuatro categorías. 1. 2. 3. 4.

Transistor bipolar de juntura (BJT). Transistores semiconductores de metal de óxido de efecto de campo (MOSFET). Transistores de inducción estática (SIT). Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).

Señal del microcontrolador

Diodo de protección

Resistencia de base

Principios básicos de funcionamiento La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.

En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA   

Ingeniería en Mecatronica En un transistor bipolar I B controla la magnitud de I C. En un FET, la tensión V GS controla la corriente I D. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor. Tiempos de conmutación

Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto I C x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.

1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT).


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor de amplificación se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces: 

 

Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib. (corriente que pasa por la patilla base). Ic = ß x Ib. Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es igual a (ß+1) x Ib., pero se redondea al mismo valor que Ic, sólo que la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso de sale él, o viceversa.

Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib. cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver la figura de la derecha.

En la figura de la derecha las corrientes de base (Ib.) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es más alta.


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Aunque el transistor posea únicamente tres terminales, se puede realizar su estudio como un cuadripolar (dos terminales de entrada y dos de salida) si uno de sus terminales es común a la entrada y salida: – Base Común. – Emisor Común. – Emisor Común. – Colector Común • Base común (BC): Aicc=1; Re pequeña; Rs muy grande. • Colector común (CC): Aicc elevada; Re muy grande; Rs muy pequeña. • Emisor común (EC): Aicc elevada; Re pequeña; Rs grande. • El montaje EC se aproxima más al amplificador de corriente ideal. • El montaje BC permite adaptar una fuente de baja resistencia que ataca a una carga de alta resistencia. • El montaje CC adapta una fuente de alta resistencia de salida a una carga de bajo valor

FUNCIONAMIENTO BASICO BJT npn • En el montaje EC de la figura, se p olariza directamente la unión Base Emisor; e inversamente la unión Base-Colector. • Se polariza el BJT si Vbe aprox. 0,6 voltios (polarización directa), y Vce>Vbe (unión base-colector en inversa). • La corriente de emisor es aquella que pasa por la unión base-emisor polarizada en directa y depende de Vbe al igual que en un diodo pn.

DEFINICION DE LOS MODOS DE TRABAJO DEL BJT • Según la polarización de cada unión, se obtendrá un modo de trabajo d iferente, según la tabla. • En la región Activa - directa, el BJT se comporta como una fuente controlada. (Amplificación) • En el modo Corte únicamente circulan las corrientes inversas de saturación de las uniones. Es casi un interruptor abierto. • En Saturación, la tensión a través de la unión de colector es pequeña, y se puede asemejar a un interruptor cerrado. • Activo – inverso, no tiene utilidad en amplificación.



1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS). Los transistores de efecto de campo por semiconductor de óxido de campo (MOSFET) con ap reciable capacidad de conducción en estado activo y buena capacidad de tención de bloqueo en estado pasivo y coma por tanto con potencial para aplicaciones de electrónica de potencia coma están disponibles desde la década de 1980. Ahora se usan tanto como los BJT y de hecho los están remplazando en muchas aplicaciones en especial aquellas en las que son importantes de conmutación altas. Los MOSFET operan con base en mecanismos físicos diferentes a los de los BJT coma y es esencial comprender bien estas diferencias para utilizar de modo eficaz tanto los BJT como los MOSFET por lo tanto consideremos los mecanismos físicos básicos que rigen la operación del MOSFET los factores que establecen los límites de corriente y tenciones del MOSFET coma, así como posibles modos de fallas si se exceden estos límites. Un MOSFET de potencia es controlado por coma que requiere solo de una pequeña corriente de entrada la velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación de orden de los nanosegundos. Los MOSFET de potencia están controlando cada vez más aplicaciones en los convertidores de alta frecuencia y baja potencia. Los MOSFET no tienen los problemas de los fenómenos de ruptura secundaria que tienen los BJT coma sin embargo los MOSFET tienen problemas de cargas electrostáticas por lo que su manejo requiere de cuidados especiales es difícil de protegerlo bajo condiciones de fallas por corto circuito punto y aparte Los MOSFET son de dos tipos: 1. MOSFET de agotamiento. 2. MOSFET de enriquecimiento.



1.2.3. Transistor Bipolar de puerta aislada (IGBT). Transistor IGBT. Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET.



Estructura

El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP. Este dispositivo posee la característica 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. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las c aracterísticas de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).



Funcionamiento

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja. El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se auto limita. 

Aplicaciones

El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan 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, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS),

1.3. Aplicaciones en Maquinas Eléctricas Durante muchos años el sector de la electrónica de potencia ha centrado su investigación en el desarrollo de componentes capaces de alcanzar grandes velocidades de conmutación y grandes cargas y que fueran sustitutivos de las tecnologías anteriores que, para ciertas aplicaciones, ya habían quedado obsoletas como es el caso del transistor bipolar BJT bipolar junción transistor, los MOSFET y de los VDMOS, DMOSFET vertical. para ello, los investigadores han combinado desde hace más de dos décadas las posibilidades de los transistores bipolares y los denominados MOSFET, un transistor de efecto de campo basado en la estructura mosto metal oxide Semiconductor La aplicación de motores y generadores eléctricos requiere considerar los siguientes: a) Economía


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica b) Comportamiento y características de la carga c) Fuentes disponibles d) Selección de motores y generadores e) Protección y seguridad En los últimos años han tomado gran relevancia los factores económicos, incluyendo no solo la inversión inicial sino también el costo de operación y mantenimiento del equipo a lo largo de los años. Se están mejorando mucho los diseños para mejorar la eficiencia y por lo tanto los costos de operación del equipo. Un problema que frecuentemente se encuentra el ingeniero consiste en adaptar el motor a la carga para su operación óptima desde un punto de vista técnico. Es importante para este fin que los motores tengan la capacidad de arrancar la carga que deberán mover y en muchos casos en un tiempo preestablecido, además no deberán sufrir sobrecalentamiento en operación normal y no deberán causar perturbaciones en la red a la que se encuentran conectados que puedan dañar otros equipos o causar malestar por medio de variaciones en la iluminación La aplicación de un motor generalmente va acompañada con el estudio de la fuente disponible para usar este motor o la selección de esta fuente cuando no se dispone de la fuente o la fuente no tiene la capacidad adecuada.

1.3.1. Arranque y Paro de un Motor de C.C. con un IGBT. Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de potencia para aplicaciones de media y alta tensión, no sólo por su capacidad de potencia sino también porque son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan es imperceptible por el oído humano. Esta particularidad los ha hecho especialmente interesantes para el desarrollo de los sistemas de aire acondicionado, frigoríficos, lavavajillas, etc., en los que los consumidores son especialmente sensibles al ruido que emiten. la mayor parte de los ruidos de los compresores procede de la utilización de transistores no demasiado rápidos y que sólo se activan y desactivan en frecuencias audibles por las personas. Pero las aplicaciones de igbt van mucho más allá del control de motores. Algunos fabricantes de tecnologías de consumo ya los están utilizando para mejorar sus dispositivos o dotarles de nuevas capacidades. por ejemplo, una de las últimas aplicaciones de estos transistores ha permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenón realmente potente. Esto ha sido posible gracias a que los IGBT han reducido enormemente sus dimensiones El transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. Generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. Características de funcionamiento: Alta capacidad de manejar corriente como un bipolar Facilidad de manejo mosfet  

El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones: Bajo ciclo de trabajo Baja frecuencia 20 kHz Aplicaciones de alta tensión 1000 V • • •


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica •

Alta potencia 5 kW

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. TRANSISTOR IGBT. CURVA CARACTERISTICA Y SIMBOLOS.

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR IGBT



1.3.2. Control de velocidad de motores de C.C. Las técnicas de control de motores dc son herramientas que se utilizan para controlar la velocidad, el par y el suministro de potencia de los motores de corriente continua. El control de motores puede llevarse a cabo mediante tiristores y un conocimiento básico de electrónica de potencia. La mayoría de los motores utilizados en la industria se conectan directamente a las líneas de distribución eléctrica, y se alimentan con corriente alterna o corriente directa. Las terminales de los devanados del motor se conectan directamente a las líneas de suministro eléctrico, y sus características de operación se mantienen inalterables, al tener una tensión de entrada constante. El motor trabaja en condiciones nominales cuando se alimenta con la tensión indicada en la placa de operación, entregando potencia constante a la carga conectada en el eje. La naturaleza de la carga que se acopla al eje del motor define el comportamiento de esta máquina. Para el caso de una carga liviana, el motor desarrollara una velocidad relativamente alta y un par de giro bajo. Por el contrario, si se dispone de una carga pesada o difícil de mover, el motor se moverá a una velocidad menor y entregará más par, pues una mayor carga lo exige. Sin embargo, si la carga se mantiene constante, la operación del motor también se mantendrá constante, sin posibilidades de controlar la velocidad debido a que la tensión de suministro no se ve modificada. Existen casos en la industria que requieren el manejo de las características de operación de los motores. Este control se suele hacer mediante tiristores. La combinación del motor, los tiristores de control y demás componentes electrónicos asociados son conocidos como el sistema de control de velocidad, sistema de accionamiento o sistema de excitación de motor. Fuerza electromotriz factores que facilitan su maneje La intensidad del campo magnético mientras más intenso sea el campo, la fuerza contra electromotriz tiende a ser mayor la velocidad de rotación mientras mayor sea la velocidad, la fuerza electromotriz tiende a ser mayor también puede variar hay diferentes formatos para desarrollarlo. Forma de variar la velocidad de un motor dc en derivación Ajustar el voltaje y la corriente aplicado al devanado del campo Al aumentar el voltaje de campo, el motor desacelera Ajustar el voltaje y la corriente aplicado a la armadura. Al aumentar el voltaje en la armadura el motor acelera.

Control de armadura con tiristor


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica En este caso el SRC silicona control led recibir puede hacer la mayor parte de las funciones de un reóstato, en el control de la corriente promedio de una carga sin las limitaciones de gran potencia. Estos son pequeños, poco costosos y eficientes en energía es na tural acoplar el motor para control de armadura para la velocidad del motor según la figura el ser proporciona entonces rectificación de media onda y control al devanado de armadura. Si se da un temprano disparo del SCR, el voltaje y la corriente promedio de la armadura aumentan y el motor puede trabajar con más rapidez. Al disparar la más tarde, se reducen el voltaje y la corriente promedio y el motor trabaja más lento. Sistema de control de media onda y una fase para la velocidad de un motor de dc en derivación La velocidad del motor se ajusta con el potenciómetro de 25 k. al girarlo hacia arriba, aumenta la velocidad del motor, esto se debe a que el voltaje de compuerta en relación con tierra se vuelve una parte mayor del voltaje respectivo de la línea de ca, y esto permite que el voltaje de compuerta a cátodo llegue más temprano en el ciclo al valor del voltaje de disparo del SCR. La relación entre la velocidad y el ángulo de retardo de disparo, para este sistema, se gráfica. Se puede ver que la acción de control de velocidad se logra en un ajuste bastante apretado de unos 70˚ a 110˚. Cuando disminuye la fuerza electromotriz, baja el voltaje de cátodo a tierra, porque VK depende de gran parte de la fuerza electromotriz. Si VK disminuye, el disparo del SCR se efectúa antes porque VG no tiene que aumentar tanto para que el voltaje cátodo ánodo sea lo suficientemente grande como para disparar el SCR. Un aumento en el par de giro produce una reducción en el ángulo de disparo, a su vez, esto nos da una mayor corriente y voltaje de armadura elevando la velocidad y compensando cualquier caída de velocidad.

Sistema de control de media onda monofásico para la velocidad de un motor Control de media onda para velocidades de un motor

El funcionamiento de este control se describe a continuación: la corriente alterna que llega se rectifica en un puente de onda completa, cuyo voltaje pulsante de dc se aplica al devanado de campo y al circuito de control de armadura. Se carga el capacitor con la corriente que fluye por el devanado de la armadura, de baja resistencia, a través del diodo d2 y el potenciómetro para el ajuste de velocidad


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica luego sigue a la placa superior del capacitor. El capacitor se carga hasta llegar al voltaje de transición conductiva del su interruptor unilateral de silicio. En ese instante el sus p ermite que se descargue parte del capacitor en la compuerta del ser, disparándolo. El ángulo de disparo se determina por la resistencia del potenciómetro de ajuste de velocidad, que de termina la rapidez de carga de c. el diodo d3 suprime toda polarización inversa producto del devanado inductivo de la armadura al terminar medio ciclo. Cuando el SCR abre al final de un semiciclo, la corriente continúa circulando en el lazo d3 y armadura. El objeto de la combinación r1 d1 es proporcionar una trayectoria de descarga para el capacitor c. recuerde que él sus no vuelve totalmente a los 0 v, cuando se dispara. El capacitor no puede descargar toda su carga a lo largo del circuito cátodo -compuerta del rectificador del silicio. Queda algo de carga en la placa superior de c. a medida que los pulsos del suministro de dc se acercan a 0, la carga en c se descarga a través de r1 y d1. Así el capacitor pierde toda carga residual para comenzar la siguiente pulsación del puente de diodos.

1.4. Circuitos de control Híbridos (Electrónicos- Electromecánicos) Durante los primeros años del nacimiento de la electrónica, los componentes electrónicos se montaban en chasis metálicos, donde se fijaban con tornillos, y se conectaban entre sí por cables. En estos años, los componentes eran pocos y voluminosos, y con frecuencia tenían que disipar bastante potencia, como en el caso de las válvulas termoiónicas. Posteriormente, en la década de los cincuenta, la aparición del transistor y la reducción de tamaño de los demás componentes electrónicos para su uso militar, en aviones y misiles, produjo lo que actualmente conocemos como circuito impreso. En el circuito impreso tal y como todos los conocemos, los componentes, dado su pequeño tamaño, se fijan y conectan en una placa de material aislante por medio de soldadura de estaño. En los últimos años el aumento de la escala de integración de los circuitos VLSI, así como la continua reducción del tamaño de los componentes pasivos como son las resistencias y condensadores, ha forzado la aparición de un nuevo tipo de tecnología, conocido como SMD.



La tecnología SMD, conocida por todos como de “Dispositivos de mon-taje superficial”, ha producido una reducción enorme del volumen de los modernos aparatos electrónicos, al tiempo que estos aumentan sus prestaciones y potencia. El proceso no se ha deten ido, y con la aparición en el mercado de los circuitos integrados de aplicaciones específicas (AS1C) y de chip programables (PLD, FPLD.PIC) hacen que, en un futuro muy próximo, un solo integrado, o conjunto de ellos realicen por completo todas las funciones de un aparato. Paralelo a toda esta tecnología se ha desarrollado otra que, lejos de detenerse, ha seguido progresando, nos referimos a la tecnología híbrida. Un circuito híbrido es una placa de material aislante, generalmente cerámica, sobre la cual y por medio de un proceso litográfico con tintas especiales, se generan e integran componentes pasivos como son las resistencias y condensadores, siendo el tamaño de estos muy reducido, por lo que podemos decir que están “integrados”. Al lado de estos componentes, pueden ir conectados dispositivos semiconductores como diodos o transistores, que en pequeños chips sin encapsular, se fijan a la placa por medio de pegamentos especiales. Estos componentes pueden ser, y de hecho lo son, componentes de tecnología superficial, e incluso componentes discretos de tamaño estándar, aunque esto último es un poco más raro. ¿Cómo es un circuito híbrido? Pasemos a explicar brevemente como está formado un circuito híbrido. El soporte mecánico del circuito es una placa de material cerámico, pues este material tiene unas cualidades muy buenas de aislante eléctrico y buen conductor del calor, lo cual le hace ideal para estas aplicaciones. Las resistencias se integran en la superficie, depositando sobre ella por un procedimiento litográfico una pasta especial resistiva, formada por finísimas partículas de metales conductores, generalmente oro o plata, unidas por un conglomerante. Dependiendo de la cantidad de partículas y de la longitud y grosor de la pista, podemos obtener una enorme cantidad de valores de resistencias, no estando en absoluto obligados a usar valores estándar. Para ajustar el valor de la resistencia, se hacen sobre la misma unos finos cortes con luz láser, que vaporizan pequeñas líneas de metal. Estos ajustes permiten aumentar el valor de la resistencia, p ero no disminuirla, por este motivo durante el proceso de diseño se suele dar a las resistencias un valor más bajo del necesario, para después poder ajustar el valor de la misma


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Los condensadores se integran como una superficie conductora, separada de otra por medio de una pasta aislante, que contiene dióxido de silicio. Para grandes capacidades, este método no es válido por lo cual se recurre al uso de componentes discretos o de montaje superficial SMD.

Practica 1.- Rectificación Monofásico Unidad de aprendizaje:

Unidad. - Semiconductores de Potencia

Número:

1

Práctica:

Rectificación Monofásico

Número:

1

Propósito práctica: Escenario:

de

la

Que el alumno conozca el principio de funcionamiento del rectificador monofásico de onda completa y analice sus formas de onda. Laboratorio de Electrónica

Materiales, herramientas, instrumental, maquinaria y equipo        

Grupo de módulo de diodos Mod. DL2602 o 4 diodos 3 A, 200 V mínimo. Fuente de alimentación. Módulo de fusibles ultra veloces Mod. DL 2628 (3 x 6.3 A). Carga universal Mod. DL 2635 o Resistencia de 70 a 100 Ω y C = 470 µf. Adaptador derivador Mod. DL 2643. Cables de conexión. 1 analizador de calidad de la energía Fluke 43b. 1 sonda de CD 10. 30 A con salida 100 mV / A.

Marco teórico


Duración:

1 hr.

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica a) Dibujar el circuito rectificador monofásico de onda completa.

b) Explicar con sus palabras como funciona el rectificador monofásico de onda completa. Con el semi-ciclo positivo (+) solamente conducen los diodos D1 y D2 circulando la corriente por la carga de arriba hacia abajo como se indica con las flechas; y con el semi-ciclo negativo (-) solamente conducen los diodos D3 y D4 circulando la corriente por la carga en la misma dirección.

c) Dibujar las formas de onda de tensión y corriente en los diodos y en la carga, considere una carga resistiva.

Metodología 

Construir el rectificador monofásico de onda completa con carga R como se muestra en la figura 6.2



. Figura 1.- Circuito rectificador de O.C. con Carga Resistiva.



Calcule los siguientes valores: Mida el voltaje de la fuente de alimentación y calcule el valor del voltaje máximo.

Vm = 132.2*

√ 2 = 186.9V.

Calcule los valores esperados en la salida del rectificador

 =  ∫     =   = 118.9 V.      =  =  =  = 1.19A.    Vrms =  ∫    dwt = √  = 0.707Vm = 131.9V.    Irms =  = √  = √ ∗ = 1.32A. 4 = 141.6 W.  = VI = ()( )=    = VI = (√ )(√ ∗)=  = 174.5 W.  ) 8 8(    √  =  =  = 1.1107 =  =    =  = .81 FP =  =     √  √   90.38  FF =  = 8.38  = .011 RF =     − 1 = 1 



 =  √  −   =    − 4  = 57.52V. 

Conectando el analizador de calidad de la energía en la entrada del circuito figura 1, obtener los datos en la entrada.

Tabla 1 Resultados del Rectificador con carga Resistiva (MATEMATICO)

(PROTEUS)

Entrada

Salida

Entrada

Salida

VRMS = 131 V

VRMS = 129 V

VRMS = 89.802 V

VRMS = 77.5 V

IRMS = 1.21 A

IRMS = 1.35 A

IRMS = 0.985 A

IRMS = 0.898 A

F.P.= 1

VCD = 116 V

F.P.= 1

VCD = 80.85 V

THD = 0

ICD = 1.24 A

THD = 0

ICD = 0.805 A

VCA = 57.52 V 

VCA = 39.085 V

Graficar en la figura 2 la Tensión y la Corriente en la entrada del rectificador con carga R.

Figura 2 Graficas de Tensión y la Corriente (Entrada)





Cambie el analizador al lado de la carga (b), complete la columna 2 de la tabla 1.

Figura 2.2 Graficas de Corriente y Voltaje (Carga) 

Agregar una inductancia en serie con la resistencia como se muestra

Figura 3 Rectificador monofásico de onda completa con carga RL.



Conectando el analizador en (a) obtenga los datos de la entrada del rectificador y complete la columna 1 de la tabla 2 Grafiqué las formas de onda en la figura



(MATEMATICO) Entrada Salida

Entrada

VRMS = 131 V

VRMS = 129 V

VRMS = 127 V

VRMS = 97 V

IRMS =1.25 A

IRMS = 1.34 A

IRMS = 0.29 A

IRMS = 0.854 A

F.P.=1

VCD = 116 V

F.P.= 1

VCD = 84 V

THD = 0

ICD = 1.23 A

THD = 0

ICD = 0.874 A

VCA =110.45 V

(PROTEUS) Salida

VCA =78.95 V

Figura 3.1 Gráficas de Corriente y Voltaje (Entrada) 

Cambie el analizador al punto (b) tome las lecturas para completar la columna 2 de la tabla 6.2. Grafiqué las formas d onda en la figura 3.2

Figura 3.2 Gráficas de Corriente y Voltaje (Salida) del rectificador monofásico no controlado (carga RL). 

Construir el rectificador monofásico de onda completa con carga RC como se muestra



Figura 4 Rectificador monofásico de onda completa con carga RC.



Conectando el analizador como se indica en la figura 6.8 (a) complete la columna 1 de la tabla 6.3. Grafique las formas de onda en la figura 4.1 y 4.2

Tabla 3 Resultados del Rectificador con carga RC. (MATEMATICO)

(PROTEUS)

Entrada

Salida

Entrada

Salida

VRMS = 131 V

VRMS = 178 V

VRMS = 131 V

VRMS = 178 V

IRMS =5.09 A

IRMS = 5.13 A

IRMS =5.09 A

IRMS = 5.13A

F.P.= 0

VCD = 178 V

F.P.= 0

VCD = 118 V

THD = 0

ICD = 0.961 A

THD =0

ICD = 0.261 A

VCA =117.35 V


VCA = 105.42 V

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica ICA =0.57 A

ICA =1.35 A

Figura 4.1 Gráfica de Corriente.



Cambie el analizador a la salida y complete las lecturas de la columna 2 en la tabla 3. Grafiqué las formas de onda de la Tensión y Corriente.

Figura 6.10 Gráficas de Corriente y Voltaje ( Salida) del rectificador monofásico no controlado (carga RC).



Calcular la eficiencia

η del rectificador en los 3 casos:

Carga. R RL RC

PCD 143.84 142.6 171.05

PCA 174.15 172.86 913.14

Observaciones y/o conclusiones:


η

82% 82% 18%

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica En esta práctica se pudo observar el comportamiento de un rectificador de onda completa así mismo se observó la mejora que representa el agregarle un capacitor en paralelo ya que la señal sin este presentaba caídas de tensión, pero al agregarle el capacitor en paralelo estas caídas se redujeron sustancialmente y debido esto la señal era más similar a la de la D.C siendo este el efecto deseado en todos los rectificadores. Se concluye que en general el rectificador monofásico presenta una buena eficiencia. Y esta se puede mejorar al incluir en su salida elementos como filtros (capacitores) o inductancias. Pero cabe destacar que se necesita hacer un análisis para seleccionar la capacidad correcta del elemento, de acuerdo a las necesidades de las señales de salida, ya que también se pude causar una deformación en la señal de entrada, y esto puede no ser tan conveniente para otras cargas conectadas a esa red.

Practica 2.- POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BJT Unidad de aprendizaje:


Número:

1

Práctica:

POLARIZACION CON DOS FUENTES (PNP) POLARIZACION CON UNA FUENTE (PNP) POLARIZACION CON PARTIDOR DE TENSION (NPN) AUTOPOLARIZACION DEL TRANSISTOR (NPN) POLARIZACION CON RESISTENCIA DE EMISOR (NPN)

Número:

2

Propósito práctica: Escenario:

de

la

comprobar el funcionamiento de los transistores con los diferentes métodos de polarizarlo Laboratorio de Electrónica

Materiales, herramientas, instrumental, maquinaria y equipo

 

 

  



Resistencias Transistores PNP y NPN transistor bipolar 2N3906, 2N3904 Protoboard. Cables de conexión para montaje. Pelacables. Multímetro. 2 Fuente de alimentación Potenciómetro

Marco teórico


Duración:

1 hr.

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BJT La selección del punto de trabajo de un transistor se realiza a través de diferentes circuitos de polarización que fijen sus tensiones y corrientes. La polarización con una fuente sin resistencia de emisor es poco recomendable por carecer de estabilidad; bajo ciertas condiciones se puede producir deriva térmica que autodestruye el transistor. La polarización con una fuente es mucho más estable, aunque el que más se utiliza con componentes discretos es el circuito de auto polarización. La polarización de colector-base asegura que el transistor nunca entra en saturación al mantener su tensión colectorbase positiva. A continuación, se muestran esquemas de polarización y algunas fórmulas para poder implementar estos circuitos. La polarización con una fuente (con resistencia de emisor) 







La polarización con dos fuentes (con resistencia de emisor)

La polarización con divisor de tensión (con resistencia de emisor)

Metodología 

Construya el siguiente circuito





Complete la siguiente tabla obteniendo los datos que se muestran a continuación de la practica POLARIZACION CON DOS FUENTES (PNP) y comparándolos con la simulación echa en PROTEUS (MATEMATICO)

Tabla 1 de

Vce = 10 V Ib = 0.097 mA Rc = 300 Ω

PRc = 0.27 W Rb = 155 K

(PROTEUS) Vce = 9.5 V Ib = 0.064 mA Rc = 316.66 Ω

PRc = 0.285 W Rb = 160.93 K

Resultados






Complete la siguiente tabla obteniendo los datos que se muestran a continuación de la practica POLARIZACION CON UNA FUENTE (PNP) y comparándolos con la simulación echa en PROTEUS. (MATEMATICO)

Tabla 2 de

Vce = 7.5 V Ib = 0.0833 mA Rc = 300 Ω IbMax= 0.087 mA

PRc = 0.1875 W Rb = 171.66 K Ie = 25.0833 mA VRc = 8.25 V

(PROTEUS) Vce = 7.45 V Ib = 0.0811 mA Rc = 303.21 Ω IbMax = 0.85 mA

Resultados





PRc = 0.2815 W Rb = 169.43 K Ie = 24.5811 mA VRc = 8.2 V




Complete la siguiente tabla obteniendo los datos que se muestran a continuación de la practica POLARIZACION CON PARTIDOR DE TENSION (NPN) y comparándolos con la simulación echa en PROT EUS.

Vth = 10 V Ib = 0.13 mA Ie = 27.43 mA Req = 75000Ω 



Vth = 9.8 V Ib = 0.15 mA Ie = 26.84 mA Req = 74989Ω

(PROTEUS) R2 = 138 K R1 = 138 K


Complete la siguiente tabla obteniendo los datos que se muestran a continuación de la practica AUTOPOLARIZACION DEL TRANSISTOR (NPN) y comparándolos con la simulación echa en PROTEUS.

Vce = 7.5 V Ib = 0.064 mA Rc = 300 Ω 

(MATEMATICO) R2 = 140 K R1 = 140 K

(MATEMATICO) Ie = 25.064 mA Rb = 106.25 K

Vce = 7.45 V Ib = 0.0544 mA Rc = 305.01 Ω



(PROTEUS) Ie = 24.0544 mA Rb = 169.43 K




Complete la siguiente tabla obteniendo los datos que se muestran a continuación de la practica POLARIZACION CON RESISTENCIA DE EMISOR (NPN) y comparándolos con la simulación echa en PROTEUS. Vce = 10 V Ib = 0.044 mA Rc = 300 Ω VRb = 17.3 V

(MATEMATICO) Ie = 10.044 mA Rb = 390 K VcR = 2 V Re = 198 Ω

Vce = 909 V Ib = 0.0394 mA Rc = 305.01 Ω VRb = 18.15 V

(PROTEUS) Ie = 9.085 mA Rb = 387 K VcR = 2 V Re = 190 Ω

Observaciones y/o conclusiones: La demostración resultó todo un éxito, teniendo en cuenta que el HFE (hFE =perdidas de corrientes y voltajes por temperaturas, (h FE =ß factor de Amplificación). de los transistores altera los voltajes que se miden o quizá puede ser por agentes externos como la temperatura que provoca que el funcionamiento del transistor no sea el óptimo. Esto quiere decir que no son exactos los voltajes medidos con respecto a los calculados, pero la variación que se produce no es tan grande que se diga como para alarmarse y decir que el transistor no está funcionando correctamente.

Practica 3.- Característica del estado de conducción del IGBT Unidad aprendizaje: Práctica:

de


Característica de conducción del IGBT.


Número:

1

Número:

3

ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica Propósito práctica: Escenario:

de

la

comprobar el funcionamiento de los transistores con los diferentes métodos de polarizarlo Laboratorio de Electrónica

Duración:

1 hr.

Materiales, herramientas, instrumental, maquinaria y equipo         

1 Reostato de 8 ohms, 8 A. 1 Reostato de 70 ohms o de 2 A o más. 1 Voltímetro CD. 1 Amperímetro CD. 1 Fuente de alimentación +5, +30, +30V regulable. 1 IGBT 1 Resistencia de 1k ohm a ¼ watt. Un generador de señales. Un osciloscopio digital

Marco teórico a) Defina que es un IGBT. Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la característica 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.

b) Enliste 3 ventajas del IGBT sobre otros dispositivos. 1.- Combina las tecnologías de los MOSFET y los BJT 2.-Alta capacidad de manejo de corriente del BJT 3.- Alta capacidad de manejo de tensión del MOSFET

c) Enliste 3 desventajas del IGBT sobre otros dispositivos. 1.-baja velocidad de respuesta (20Khz) 2.-coeficiente de temperatura negativo 3.- no siempre traen el diodo de protección (Damper)

d) Enliste 2 números de parte de 2 IGBT de fabricante diferente para controlar una carga que demanda una corriente de 35A a un voltaje de 310V. POWEREX (POWER SEMICONDUCTOR SOLUTIONS)

Metodología 1.1. Obtenga del manual las características principales del IGBT. a).- Voltaje CE máximo de ruptur: 600V b).- Corriente máxima de operación: 12A c).- Tiempo de encendido ton: : 10 ms d).- Tiempo de apagado t off : 12 ms e).- Frecuencia máxima de conmutación: 60HZ


ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA Ingeniería en Mecatronica f).- Voltaje CE de saturación o en estado de conducción: 600V 1.2 Arme el diagrama del circuito como se muestra. Utilice la fuente de alimentación de las mesas de trabajo en la malla del lado derecho en 24V.

1.3. Ajuste la fuente de alimentación variable en 15V. 1.3. Ajuste el potenciómetro en la máxim a resistencia. 1.5. Registre los valores de tensión Vce y corriente de Ic.

R (Ώ) VCE (V) IC (A) POFF=VCE (W)

IC

78 a 100 ohms 24V 0A 0W

1.6. Cierre el interruptor de control. 1.7. Registre los valores de tensión Vce y corriente de Ic. Tabla 2.2 Valores obtenidos de VCE, IC y POFF R (Ώ) VCE (V) IC (A) PON=VCE IC (W)



78 a 100 ohms 1V 0.3 A 0.3W

Modifique el valor del potenciómetro para completar la tabla 2.3.

Valores obtenidos de VCE, IC y PON IC (A) VCE (V) PON=VCE IC (W)

0.25 0.5 .97 1.15 .24 .57

0.75 1.21 .90

1 1.24 1.24

1.25 1.28 1.6

1.5 1.75 2 1.32 1.28 1.4 1.98 2.24 2.8

2.25 2.5 2.75 3 1.41 1.46 1.5 1.64 3.17 3.65 4.12 4.9

En el transcurso del experimento el IGBT debe de estar siempre en estado de conducción (V GS=V0=15V). 1.10 Prueba en conmutación. Active el generador de señales y verifique con el osciloscopio que la señal de salida del generador sea de una frecuencia de 1 kHz, amplitud de ± 15V y cuadrada. 1.11 Una vez ajustada la señal de control conecte la salida en la compuerta del IGBT.


Portafolio Unidad 1 Electronica de Potencia

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