Cátedra: Electrónica de Potencia Profesor: Alberto Leon
Electrónica de Potencia
Alumnos: Winiffer Delgado C.I.: 13.126.975 13.126.975 Oscar Itanare Alberto Pérez
C.I.: 17.902.963 17.902.963 C.I.: 12.055.742
P.N.F.: Ingeniería Eléctrica Sección: 5101 Julio, 2011
Introducción
Los semiconductores hoy en día conforman una herramienta cada vez de mayor uso, el cual es requerido debido a sus grandes prestaciones y es por esto que se hace necesario el estudio de los mismos y sus aplicaciones. En el presente trabajo se ha investigado y descrito; ¿que son? y como se pueden emplear algunos de los dispositivos electrónicos de potencia, desde su principio o su definición hasta sus ventajas y aplicaciones, teniendo especial atención a estos elementos como accionamientos y todas las posibilidades que ofrecen y pueden ofrecer en los campos de aplicación de la electricidad.
Introducción
Los semiconductores hoy en día conforman una herramienta cada vez de mayor uso, el cual es requerido debido a sus grandes prestaciones y es por esto que se hace necesario el estudio de los mismos y sus aplicaciones. En el presente trabajo se ha investigado y descrito; ¿que son? y como se pueden emplear algunos de los dispositivos electrónicos de potencia, desde su principio o su definición hasta sus ventajas y aplicaciones, teniendo especial atención a estos elementos como accionamientos y todas las posibilidades que ofrecen y pueden ofrecer en los campos de aplicación de la electricidad.
Conmutacion De Un Tiristor. Tiristor. Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho. •
Tiempo de encendido (ton)
Tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción (Fig. 8). •
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Tiempo de retardo (td): (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo. Tiempo de subida (tr): (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.
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Tiempo De Apagado (Toff)
Tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte (Fig. 9).
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Tiempo De Recuperación Inversa (trr): (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.
Tiempo De Recuperación De Puerta (tgr): (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta recupere su capacidad de gobierno.
Caracteristicas Termicas Del Tiristor. Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son: − Temperatura de la unión............................................................. Tj − Temperatura de almacenamiento................................................ Tstg − Resistencia térmica contenedor-disipador.................................. Rc-d − Resistencia térmica unión-contenedor........................................ Rj-c − Resistencia térmica unión-ambiente............................................ Rj-a − Impedancia térmica unión-contenedor......................................... Rj-c
Método De La Constante De Tiempo •
Cálculo de R y C:
1.- Hallamos el valor mínimo de la cte. de tiempo τ de la dv/dt: donde VDSM = V de pico no repetitiva de bloqueo directo.
Calculamos el valor de R y C:
Conmutación por pulso externo IL = corriente en la carga
RL = resistencia de carga. ITSM = corriente directa de pico no repetitiva. VA = tensión de ánodo. •
Γ = coeficiente de seguridad (de 0, 4 a 0,1).
2.- Hallamos el valor de Rmin que asegura la no superación de la di/dt máxima especificada (a partir de la ecuación de descarga de C):
Cálculo de L:
Método De La Resonancia • Elegimos R, L y C para entrar en resonancia
• El valor de la frecuencia es:
• En resonancia:
• El valor de L es el que más nos interese, normalmente:
•
El valor de R será:
Protecciones Contra Dv/Dt Y Di/Dt • Solución: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie (Fig.18). • Calculo: método de la constante de tiempo y método de la resonancia.
Convertidor AC/DC Regulador Para obtener voltajes de salida controlados, en lugar de utilizar diodos rectificadores que dan voltajes fijos, se utilizan Tiristores de control de fase, así es posible modificar el voltaje de salida controlando el retraso o ángulo de disparo de los mismos. Un tiristor de control de fase se activa aplicándole un pulso corto a su compuerta y se desactiva debido a la conmutación natural o de línea; en el caso de cargas inductivas, se desactiva mediante el disparo de otro tiristor del rectificador durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada.
Estos convertidores pueden clasificarse según la fuente de alimentación en: a. Monofásicos b. Trifásicos c. Dual
Figura C1. Convertidor Monofásico de Tiristor con Carga Resistiva. Principio de funcionamiento En la figura C1, de carga resistiva, durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, el ánodo del tiristor es positivo con respecto al cátodo por lo que se dice que el tiristor tiene polarización directa. Cuando el tiristor T1 se dispara, en ωt = α el tiristor T10 conduce, apareciendo a través de la carga el voltaje de entrada. Cuando en el voltaje de entrada empieza a hacerse negativo, ωt =
, el ánodo del tiristor es negativo con respecto al cátodo y se dice que el
tiristor T1 tiene polarización inversa; por lo que se desactiva. El tiempo desde que
el voltaje de entrada empieza a hacerse positivo hasta que se dispara el tiristor en se llama ángulo de retraso o de disparo α. ωt = α
Convertidor DC/AC Inversor Los convertidores de CD a AC se conocen como inversores, y su función es cambiar un voltaje de entrada en CD a un voltaje simétrico de salida en CA, con la magnitud y frecuencia deseadas, pudiendo ser variables. Si se modifica el voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en CD es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida si se varia la ganancia del inversor; esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida en CA y el voltaje de entrada en CD. En los inversores reales son necesarias las ondas senoidales de voltaje, los inversores producen onda cuadrada, por lo que se utilizan dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad para minimizar o reducir significativamente el contenido armónico de voltaje de salida. El uso de inversores es muy común en aplicaciones industriales tales como; arranque de motores con variación de velocidad, calefacción por inducción, fuantes de respaldo y de poder y UPS. La entrada puede ser una batería o una celda solar por ejemplo, y las salidas monofásicas entre 115V y 220V con frecuencias entre 50, 60 y 400 Hz. En sistemas trifásicos de alta potencia: 220/380V - 50 Hz; 120/208V - 60 Hz y 115/200V – 400 Hz. También pueden clasificarse en monofásicos y trifásicos y ambos utilizan activación y desactivación controlada ( BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) o tiristores de conmutación forzada. Principio de Funcionamiento
En la figura C2 observamos dos pulsadores, cuando solo el transistor Q1 esta activo durante el tiempo To/2, el voltaje instantáneo a través de la carga vo es Vs/2. Si solo el transistor Q2 esta activo durante un tiempo To/2, aparece el voltaje –Vs/2 a través de la carga. El circuito lógico debe diseñarse de tal forma que Q1 y Q2 no estén activos simultáneamente.
Figura C2. Inversor Monofásico de medio Puente
Inversores Trifásicos con Transistores Los inversores trifásicos se utilizan normalmente en aplicaciones de alta potencia, tres inversores monofásicos conectados en paralelo forman la configuración de un inversor trifásico. (Figura C3). Las señales de compuerta de los inversores deben adelantarse o atrasarse 120 º uno con respecto al otro a fin de obtener voltajes trifásicos balanceados. En la presente configuración los bobinados primarios del los transformadores están aislados mientras los bobinados secundarios pueden tener una conexión especifica, estrella o delta.
El dispositivo aquí mostrado requiere de tres transformadores monofásicos, 12 transistores y 12 diodos, si los voltajes de salida de los inversores monofásicos no están perfectamente equilibrados en magnitud y fase los voltajes de salida trifásicos también estarán desequilibrados.
Señales de Compuerta para Conducción a 120 º
Figura C3. Inversor Trifásico formado por tres Inversores Monofásicos
Convertidor Elevador En un convertidor o regulador elevador, el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada, en la figura C4 se muestra un regulador elevador que utiliza un MOSFET de potencia. La operación del circuito se puede dividir en dos modos. El primero de ellos empieza cuando se activa el transistor M1 en t = 0. La corriente de entrada, que se eleva, fluye a través del inductor L y del Transistor Q1. El segundo empieza cuando se desconecta el transistor M1 en t = t1. La corriente que estaba fluyendo a través del transistor fluirá ahora a través de L, C, la carga y el diodo M1. La energía almacenada en el inductor L es transferida a la carga.
Figura C4. Regulador o Convertidor Elevador con iL continua.
Regulador o Convertidor Elevador con iL continua.
Características Básicas de una Fuente de Poder Las fuentes de poder, que se utilizan en forma extensa en aplicaciones industriales, requieren generalmente cumplir todas o la mayor parte de las características siguientes: a. Aislamiento entre fuente y carga. b. Una alta densidad de potencia a fin de reducir el tamaño y el peso. c. Dirección controlada del flujo de potencia.
d. Alta eficiencia de conversión. e. Formas de onda de entrada y de salida con baja distorsión armónica total. f. Factor de Potencia Controlado si la alimentación a la fuente es un voltaje de CA.
Amplificador de Potencia Clase A El funcionamiento de un amplificador en clase A se entiende que el transistor trabaja siempre en su zona activa. Esto equivale a decir que por el colector circula corriente los 360º del ciclo de señal, como se muestra en la figura C5. Con un amplificador Clase A, se trata de diseñar el punto Q en algún lugar cerca de la mitad de la recta de carga. De esta manera, la señal puede oscilar sobre el máximo rango posible sin saturar o cortar el transistor, lo que puede distorsionar la señal.
Figura C5
Un ejemplo del funcionamiento del amplificador de potencia en clase A se muestra en la figura C6 que corresponde a un amplificador PDT que es un amplificador con un divisor de tensión en la base, donde se observa que la señal no esta recortada y la corriente circula por el colector todo el ciclo. No aparecen recortes en la señal de salida durante todo el ciclo.
Figura C6. Amplificador Clase A
Amplificador de Potencia Acoplado por Transformador Elevador-Reductor En un ejemplo de amplificador mostrado en la figura C7, utiliza un transformador para acoplar la señal de salida con la carga, teniendo una eficiencia de 50 %. Esta es una forma simple de este tipo de circuito, donde se maneja las características de elevar o reducir del transformador en base a la relación entre los números de vueltas de su primario y secundario.
Relación entre número de vueltas, voltajes y corrientes del transformador.
Figura C7. Amplificador de potencia acoplado por transformador
La impedancia conectada a un lado del transformador puede parecer menor o mayor en el otro lado del transformador, según el cuadrado de la relación de vueltas del embobinado del transformador. Debido a que tanto la corriente como el voltaje se pueden modificar en un transformador, también es posible modificar la impedancia observada desde cualquier lado del mismo.
Interruptores Los tiristores o transistores que pueden activarse y desactivarse en cuestión de unos cuantos microsegundos, se operan como interruptores de accionamiento rápido, a fin de reemplazar los interruptores de circuito mecánicos y electromecánicos.
Entre sus ventajas se encuentran: 1. La alta velocidad de conmutación. 2. Ninguna parte móvil. 3. Ningún rebote de contactos al cierre. Las señales de compuerta o de control necesarias para los tiristores pueden ser generadas por transductores, para detectar la posición mecánica eléctrica, de proximidad, etc. Este tipo de interruptores también denominados interruptores estáticos, se pueden clasificar en: a. Interruptores de AC a.1 Monofásicos a.2 Trifásicos b. Interruptores de CD. Como interruptores de CA, los tiristores son conmutados por línea o en forma natural, y la velocidad de conmutación queda limitada por la frecuencia de la alimentación de CA y el tiempo de desactivación de los mismos. Por otra parte los tiristores de CD son de conmutación forzada y la velocidad de conmutación dependerá del circuito auxilia y del tiempo de desactivación de los tiristores. Otras aplicaciones de estos interruptores es en la inversión de fase y la transferencia de Bus Trifásico. Interruptores de CA El diagrama de circuito de un interruptor monofásico de onda completa se muestra en la figura C8, donde los tiristores se conectan en paralelo inverso. El tiristor T1
se dispara en ωt
=
y el tiristor T2 en
ωt =
el voltaje de salida es el mismo
de entrada.
C8. Interruptor Monofásico de CA de Tiristor
Interruptores de CA Trifásicos Utilizando el mismo principio de los interruptores monofásicos es posible emplear una configuración para cada uno mostrado en la figura C8 y entre ellos según se muestra en la figura C9. La carga puede tener una conexión estrella o delta.
Figura C9. Interruptor de CA Trifásico de tiristores
Diagramas de otros usos posibles de estos tiristores
Interruptores de CA en Circuito para Cambio de Fase
Interruptores de CA en circuito de transferencia de bus
Interruptores de CD En el caso de los interruptores de CD, se puede utilizar transistores de potencia o tiristores de conmutación rápida o bien GTO. Una vez activado un tiristor, debe desactivarse mediante la conmutación forzada. Al emplearse este tipo de conmutación forzada, el circuito forma parte integral del interruptor, así en la figura C10 con aplicación de alta potencia, si se dispara el tiristor T3, el capacitor C se cargara a través de la alimentación de Vs, L y T3.
Figura C10. Interruptor de CD con un solo polo con tiristor
Puente de Wheatstone El puente de Wheatstone se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje. En la figura C11 se muestra la configuración básica de este puente, que siendo una condición que el valor de todas las resistencias sea idéntico se demuestra que cuando el voltaje de salida Vo es cero, el potencial en B debe ser igual al potencial en D, la diferencia de potencial en R1, es decir; Vab; debe ser igual a la diferencia de potencial en R2, es decir, Vbc; debe ser igual a la diferencia en R3 o lo que es igual Vad. Por lo tanto, I1R1 = I2R2. También significa que la diferencia de potencial en R2, Vbc; debe ser igual a la de R4, es decir Vdc dado que en BD no hay corriente, la de R2 debe ser igual a la que hay en R1 y la corriente en R4 debe ser la misma en R3. Por consiguiente, I1R2 = I2R4. Lo que se puede expresar como:
Figura C11. Puente de Wheatstone
Las siguientes relaciones se derivan de las igualdades ya expuestas:
Entre otros usos o prestaciones del puente de Wheatstone esta la medición de temperatura con la utilización de una resistencia de platino que conociendo que a una temperatura de 0º es de 100Ω, y que forma parte de una resistencia del puente, así igualando las otras resistencias a 100 Ω, cualquier variación en la de platino se interpreta como una variación de resistencia o traducida como una variación de temperatura.
Transistores De Efecto De Campo La era electrónica se introdujo con el bulbo. A la llegada del transistor se realizaron grandes cambios, principalmente en las necesidades de potencia y tamaño de los componentes y circuitos. A continuación veremos los Transistores Unipolares (FET´S - MOSFET´S). Definición: Los transistores de efecto de campo, conocidos generalmente como TEC ( o FET por sus siglas en ingles ), son un dispositivo unipolar, ya que la corriente existe tanto en forma de electrones como de huecos. En un FET de canal n, la corriente se debe a electrones, mientras que en un FET de canal p, se debe a huecos. Ambos tipos de FET se controlan por una tensión entre la compuerta y la fuente.
Figura T1. Transistores De Efecto De Campo Los símbolos ilustrados en la figura se refieren al transistor de efecto de campo de juntura. Los TEC a y b han sido indicados como tipos N y P de acuerdo al empleo de los materiales tipo N y P en la fabricación de estos dispositivos. El TEC tiene tres elementos. El terminal ánodo se conoce como el drenaje y el terminal cátodo se conoce como fuente. El drenaje equivale al colector. La fuente equivale al emisor de un transistor bipolar. La puerta equivale a la base.
Elementos del TEC
Además existen otros TEC que utilizan metales y materiales óxidos, dando como un resultado un TEC que se conocen como Transistor de Efecto de Campo de óxido de metal y semiconductor, que se abrevia TELCOMS ( o MOSFET por sus iniciales en y ingles ). Otro avance en el TEC es un dispositivo con dos terminales, llamados puertas frontal y puerta trasera, este dispositivo es el TEC tetrodo. En la siguiente figura se muestran los símbolos de estas modificaciones del TEC de juntura. En los símbolos para estos dispositivos, la D significa drenaje, la P = puerta, la F = fuente.
TEC tetrodo Tipos : Se consideran tres tipos principales de FET: El primero de ellos, el JFET, ya no se trata de una combinación tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores N-P-N, P-N-P. Ahora la forma de obtenerlos es algo más rebuscada. Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su construcción, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrónicos. A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razón es sencilla, si tomamos uno de ellos y cambiamos los tipos de semiconductores, es decir, donde hay
semiconductores de tipo P ponemos semiconductores de tipo N y viceversa, obtenemos otro transistor JFET pero de características distintas. Así pues, para distinguirlos, llamamos FET de canal p al primero y FET de canal n al segundo. Veremos cómo las propiedades de ambos no sólo son distintas sino que son más bien opuestas. Para aplicar su funcionamiento hay que tener en cuenta que tenemos dos tipos distintos de voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y por tanto existen dos zonas de unión entre ellos. Así pues, vamos a considerar la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que llamaremos Vds., y la diferencia de potencial entre puerta y fuente la cual estará representada por Vds. Estudiar las características de un transistor consta en “jugar” con las dos tensiones de que disponemos, aumentándolas, disminuyéndolas y observando qué pasa con la corriente que lo atraviesa. Para estudiar su comportamiento, vamos a dejar fija la tensión entre la puerta y la fuente, Vgs, y vamos a suponer que variamos la tensión entre el drenador y la fuente, Vds. Se pueden distinguir tres zonas según vamos aumentando el potencial Vds., estas son: zona óhmica, zona de saturación y zona de ruptura. En la zona óhmica, el transistor se comporta como una resistencia (óhmica), es decir, si aumentamos el potencial, Vds., crece la corriente (y) en la misma proporción, esta situación se mantiene así hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si seguimos aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si seguimos aumentando Vds., el transistor entra en la zona de saturación. Aquí su comportamiento es totalmente distinto al anterior, ya que, aunque se siga aumentando Vds., la corriente permanece constante. Si seguimos aumentando el potencial Vds. de nuevo, llagamos a un valor de éste a partir del cual el
comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor tiene que ser del orden de 40 voltios. Decimos entonces que hemos entrado en la zona de ruptura. A partir de este punto la corriente i puede circular libremente, independientemente de que sigamos aumentando el valor de Vgs. Es esta la razón por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado, propiedad esta fundamental en la computación. Un JFET se encuentra en estado OFF (interruptor cerrado) cuando Vds es cero, ya que no pasa corriente alguna, y en estado ON (interruptor abierto) cuando Vds pasa de los 40 voltios. Evidentemente, estos valores reales dependerán del tipo de transistor del que hablemos, ya existen FET para circuitos integrados y FET de potencia, estos últimos con valores algo mayores que los primeros. Otro de los tipos de FET es el conocido como MOSFET Por último, vamos a hablar del transistor más utilizado en la actualidad, esto es el del MOSFET. La estructura de este transistor es la más complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P-N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dióxido de silicio; esta pequeña adición de la capa del óxido va a cambiar considerablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenia el JFET. Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona tipo P y dos tíos N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona tipo N y otras dos tipo P se llamará MOSFET de canal P (o PMOS). MOSFET de Empobrecimiento:
El MOSFET De Empobrecimiento De Canal N El MOSFET de canal n se establece en un sustrato p, que es el silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n u los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa se SiO 2 , que es un aislante, en la parte superior del canal. Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO 2 para formar la terminal de compuerta (G). El desempeño del MOSFET de empobrecimiento, es similar al JFET. El JFET se controla por la unión pn entre la compuerta y el extremo del drenaje del canal. No existe dicha unión en el MOSET de enriquesimiento, y capa de SiO 2 actúa como aislante. Para el MOSFET de canal n, una v GS negativa saca los elementos de la región del canal, empobreciéndolo. Cuando v GS alcanza V p , el canal se estrangula. Los valores positivos de v GS aumentan el tamaño del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje. Nótese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de v GS . Como la compuerta está aislada del canal, la corriente de compuerta es sumamente pequeña (10-12 A) y v GS puede ser de cualquier polaridad.
Controladores y Microcontroladores Un controlador es un dispositivo electrónico encargado de, valga la redundancia, controlar uno o más procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recogerá la información de los sensores de temperatura, la procesará y actuará en consecuencia. Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Más tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de E/S,… sobre una placa de circuito impreso (PCB).
Actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de Microcontroladores Como ya hemos visto, un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros más sencillos. A continuación se analizan los más importantes. Procesador Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguían la arquitectura de von Neumann. Esta última se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses.
Arquitectura Von Neumann En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos.
Arquitectura Harvard El procesador de los modernos Microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucción. Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez Memoria de programa El Microcontroladores está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como éste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes: - ROM con máscara: se graba mediante el uso de máscaras. Sólo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste. - EPROM: se graba eléctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseño, aunque su coste unitario es elevado.
- OTP: su proceso de grabación es similiar al anterior, pero éstas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idóneas para productos finales. - EEPROM: también se graba eléctricamente, pero su borrado es mucho más sencillo, ya que también es eléctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado. - FLASH: se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores prácticamente iguales que sólo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC16C84 y el PIC16F84, respectivamente. Memoria de datos Los datos que manejas los programas varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada, aunque sea volátil. Hay Microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no volátil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentación no ocasiona la pérdida de la información, que está disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos
Ejemplo de diseño de interruptor o switch con transistor bipolar Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizará para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y desconectar un voltaje de 12 voltios en A). Ver el diagrama. Los datos que tenemos son: - Voltaje de alimentación = 12 V - Bombillo (foco) 12V, 1.2W - B (beta) mínimo del transistor es: 200 Transistor Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento: De la fórmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI. Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature. La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA. Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo. Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib – Vbe Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms Nota: Vbe = 0.7 Voltios proximadamente en un transistor de silicio.
Transistor en corte
Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a través de él sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0
Voltios)* Conteo Por Formula Transistor npn El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas 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.
Tiristores de inducción estática (SITH). Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas. Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6m s. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características.
Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR). Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt).
Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms.
Tiristores Controlados por MOS (MCT). Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el símbolo correspondiente en la (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q 1 y con un transistor Q 2 . La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M1 y un MOSFET de canal n M 2 . Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo V GA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E 2 de Q 2 (fuente S 1 del MOSFET M 1 del canal p) a través del canal p hacia la base p B 1 de Q l (que es drenaje D 1 del MOSFET M 1 , del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q 1 . A continuación e1 emisor n+ E 1 de Q 1 , inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C 1 ) que hace que el emisor p E 2 inyecte huecos en la base n B2 , de tal forma que se active el transistor PNP Q 2 y
engancha al MCT. En breve, un V GA de compuerta negativa activa al MOSFET M 1 canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q 2 . Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo V GA . Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B 2 de Q 2 (fuente S 2 del MOSFET M 2 del canal n) a través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Q l (drenaje D 2 del MOSFET M 2 del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del transistor PNP Q 2 de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá huecos disponibles para recolección por la base p B 1 de Q 1 (y el colector p C 2 de Q 2 ). La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B 1 , hace que se desactive el transistor NPN Q 1 , y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta V GA , desvía la corriente que excita la base de Q l , desactivando por lo tanto el MCT. El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado.
Un MCT tiene: Una baja caída de voltaje directo durante la conducción; Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4m s, y un tiempo de desactivado rápido, típicamente 1.25m s, para un MCT de 300A, 500v; Bajas perdidas de conmutación; Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua a fin de evitar ambigüedad de estado.
Diseño de Variador de Velocidad para motores de AC Los variadores de velocidad, también llamados convertidores de frecuencia, son dispositivos utilizados para regular los procesos industriales. Se trata de equipos utilizados hoy en día en múltiples aplicaciones, existiendo un buen número de fabricantes y suministradores de los mismos. El principio de funcionamiento del variador de velocidad consiste en convertir el voltaje de CA a un voltaje de CD por medio de un puente rectificador trifásico compuesto por seis diodos para un voltaje de CA por medio de un puente inversor trifásico compuesto por 6 tiristores los cuales controlan el voltaje de CA variando su frecuencia. La configuración típica de un variador de velocidad de 6 o 12 pulsos es como la que se muestra en la figura C12. Los componentes del variador de velocidad son un puente rectificador trifásico y un convertidor PWM creado con tiristores. El objetivo principal es desarrollar un sistema de control para motor de inducción trifásico al inversor. Las características son: alimentación – 220 VCA, caballos de fuerza – 3 HP y velocidad angular nominal – 1750 R.P.M. (Figura C12). El control debe poder variar la frecuencia y el voltaje en cada una de las fases de manera independiente, además de contar con dispositivos que faciliten su operación. A partir de esto se requiere de otro diseño de control basado en la técnica de PWM con Inyección de Tercer Armónica
Figura C12. Configuración de un Variador de frecuencia
Figura C13. Puente Rectificador La expresión que define el voltaje de salida en CD donde se cumple la primera etapa es: Vcd = ( 3√2 /
) x Vca
En la técnica de conmutación utilizada el patrón de conmutación de las señales PWM se obtiene a partir de la comparación de una señal triangular (portadora) de amplitud A c y frecuencia f c , con una señal fundamental sinusoidal más una componente de tercera armónica (moduladora) de amplitud A r y frecuencia f r . Esta señal queda definida como:
La amplitud de la señal de salida se controla a través del índice de modulación M:
donde
A
r
y
A
c
representan las amplitudes de la señal moduladora y portadora
respectivamente. Ahora, la frecuencia de salida
f
o
se define por medio de la
frecuencia de la señal moduladora. De esta manera, cambiando los parámetros de
la señal moduladora por fase se regulan los índices (M, f o ), en consecuencia se modifica la señal de salida. La estructura general del inversor trifásico se muestra en la Figura C13, donde el patrón de conmutación a determinar es para los elementos (Q 1 ,Q 2 ,Q 3 ,Q 4 ,Q 5 ,Q 6 ). La obtención de las señales de cada interruptor se genera comparando la portadora con tres señales moduladoras, desfasada O
120 entre ellas.
Figura C14. Conmutación PWM con Inyección de tercer Armónico
En la Figura C14 encontramos la generación de las señales de excitación, y la obtención de uno de los voltajes fase a fase (v ab ), este se obtiene a partir de:
Generación de las Señales PWM Las señales de excitación para los interruptores de una misma rama se obtienen a partir de diferentes bloques (ver Figura C14). Por ahora nos enfocaremos en uno de estos. La implementación de estos pulsos se llevo acabo de manera digital, mediante un microcontrolador. El diseño quedo dividido en cuatro partes: a) b) c) d)
Generador de parámetros de modulación Generador de tiempo muerto Generador de parámetros de frecuencia Implementación mediante un microcontrolador (Sin Estudio)
a) Generador de parámetros de modulación La comparación de las señales de control nos genera una serie de pulsos, si consideramos uno de los pulsos como el de la Figura C15 podemos deducir que tn on representa el tiempo durante el cual el interruptor permanece encendido. Si tomamos consideramos que toda la comparación es una serie de pulsos como este, podríamos llegar a obtener un patron de conmutación, únicamente cambiando los tiempos de activación de una manera adecuada. De esta manera considerando el tiempo total de uno de los pulsos. ’
tn off + tn on + tn off = tn Por lo tanto t1 + t2 + t3 +...+ tn = T donde n = Número de pulsos por ciclo. T = El periodo de la señal moduladora (señal de salida).
El incremento que se tiene en los pulsos es de manera discreta. Únicamente se considera representar la comparación de las señales de control. El número de estos pasos define la resolución que se tendrá durante los cambios de la modulación. Si a estos los llamamos ρ, a mayor número de estos, mejor resolución se obtendrá, y en consecuencia el cambio en v o será más suave. Se especifica entonces que ρ1 + ρ2 + ρ3 +... + ρn = tn Donde ρn = Número de pasos en la resolución.
Figura C15. Obtenciòn de las señales de control
b) Generador de tiempo muerto Para evitar posibles cortocircuitos durante la activación y desactivación de dos interruptores de la misma rama se implementa un tiempo muerto (tiempo en blanco). Este tiempo se selecciona según las características de los dispositivos semiconductores, en este caso se implementó un tiempo de 6μs (ver Figura C16)
Figura C16. Generación de Tiempo Muerto
c) Generador de parámetros para la frecuencia Una vez definidos el número de pulsos por ciclo, de pasos en la resolución y de conocer el tiempo muerto, podemos llegar a la siguiente conclusión: [(tρ ⋅ 32) + 12µs]⋅27 = T
Donde tρ = Tiempo de cada paso en la resolución.
Claramente podemos visualizar que la frecuencia de salida depende únicamente de tρ , de la Ecuación sabemos que :
De esta ecuación se pueden obtener los tiempos necesarios para generar cada una de las frecuencias deseadas 2) Puente inversor trifásico El puente inversor se encuentra formado por seis interruptores (Figura C18). Estos interruptores son controlados mediante las señales PWM obtenidas con anterioridad. Como interruptores fueron utilizados transistores IGBTs por su fácil control y altos niveles de operación.
Figura C18. Circuito Puente Inversor Trifásico Para el diseño del puente inversor se utilizo un módulo inteligente de potencia de IGBTs. Este modulo además del puente inversor trifásico incluye características como: un interruptor de frenado, circuito de disparo para los IGBTs, opera en aplicaciones de conmutación de hasta 20KHz, además de contar con circuitos de protección para corto circuito, sobre-corriente, sobretemperatura y detección de bajo voltaje en la fuente de alimentación del circuito de disparo. Al inversor también se le incluyo una resistencia de frenado dinámico conmutada por el interruptor QFR. Esta conmutación se hace en paralelo al bus de CD a causa de hacer un frenado dinámico. Para determinar cuando hay que conmutar esta resistencia, se mide constantemente el valor del voltaje en el bus de CD, esto mediante uno de los microcontroladores empleados. Una vez que el voltaje rebasa los 350V esta conmutación se realiza.
CONCLUSIÓN Los sistemas de potencia no solo transportan energía, o la suministran; si no que requiere de una serie de pasos, componentes y equipos para hacer de un sistema eléctrico, un sistema eficiente, de calidad y continuo. Los semiconductores de potencia dentro de su evolución, han impulsado el desarrollo e implementación de nuevas técnicas para el control y supervisión de los sistemas, haciendo que sea práctico y económico el uso de las mismas, así desde sistemas auxiliares de control y protección como los de potencia pueden desarrollarse de manera rápida y con un mayor porcentaje de vida útil en comparación con los sistemas operados totalmente por accionamientos mecánicos o electromecánico. Convertidores, inversores, UPS, baterías, circuitos amplificadores y la función frecuencia como protagonista; hacen de la electrónica de potencia una herramienta indispensable en el dominio de las técnicas de ingeniería especialmente en la eléctrica, de aquí la importancia que debemos remarcar en el estudio y desarrollo de elementos como los IGBT, IGCT, IEGT y demás consolidados en las aplicaciones eléctricas y el ahorro de energía y costo dentro de los proyectos de sistemas eléctricos
Bibliografía −
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Interruptor transistor en memoria y conteo: http://www.unicrom.com/Tut_transistores_efecto_campo.asp 11/7/11
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Microcontroladores consultar en
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http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm#sith 11/7/11 hora 9:20 pm −
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Transistores de efecto de campo fets consultar en: http://www.google.co.ve/tiristor11/7/11 hora 7:35 pm
Transistores SITH consultar en http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp :
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Transistores LASCR MCT consultar en: http://www.unicrom.com/tut_transistor_como_switch.asp 13/7/11 hora 3:35 pm
