REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EXTENSIÓN MATURÍN
ELECTRÓNICA DE POTENCIA I
AUTOR: Cheng Guerrero Sección: 8mo D. Nocturno
MATURÍN, JUNIO 2012 i
CONTENIDO LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. ... iii 1. ELECTRÓNICA DE POTENCIA .............................................. ....................... 1 1.1. Aplicaciones ..................................................................................................... 1 1.2. - Usos frecuentes f recuentes de a electrónica de potencia en: ........................................ 2 1.2.1. Nuestra vida diaria ....................................................... ........................................................................................ ................................. 2 1.2.2. Aplicaciones Aplicaciones Industriales:................................................................ Industriales:................................................................ ............. 2 1.2.3. Aplicaciones Aplicaciones Generales ................................................................................ ...................................... .......................................... 3
2. HISTORIA .......................................................... ............................................................................................................ .................................................. 4 2.1. Resumen .............................................................................................. ............. 5 3. RECTIFICADORES O CONVERTIDORES ................................................... 5 3.1. Convertidores AC/DC .................................................... ..................................................................................... ................................. 5 3.2. Convertidores AC/AC .................................................... ..................................................................................... ................................. 6 3.3. Convertidores DC/AC .................................................... ..................................................................................... ................................. 7 3.4. Rectificadores DC/DC .................................................... ..................................................................................... ................................. 8 4. ELEMENTOS ELECTRÓNICOS MÁS UTILIZADOS EN LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA. .................................................... ....................... 8 4.1. EL DIODO SHOCKLEY ............................................................................... ..................................... .......................................... 9 4.1.1. Característica Característica tensión-intensidad tensión-intensidad ..................................................... .................................................................. ............. 9 4.1.2. Ejemplo de aplicación: aplicación: detector de sobretensión sobretensión ....................................... ........ ............................... 10
4.2. 2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)..................................... 11 4.2.1. Característica Característica tensión intensidad ................................................................ 12 4.2.2. Métodos de conmutación conmutación ....................................................... ............................................................................ ..................... 13 4.2.3. Aplicaciones Aplicaciones del SCR .................................................. ............................... 14
4.3. 3 GCS (Gate ( Gate Controlled Switch) ....................................................... .................................................................. ........... 16 4.4. 4 SCS (Silicon Controlled Switch) ............................................................... 16 ii
4.5. 5 EL DIAC ..................................................................................................... 17 4.6. 6 EL TRIAC ................................................................................................... 18 4.7. RESUMEN ..................................................................................................... 20
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Pines del PIC18F2550 ............................... Error! Bookmark not defined. Figura 2. Versión del Driver mcHID.dll .................. Error! Bookmark not defined. Figura 3. SplashScreem ............................................. Error! Bookmark not defined. Figura 4.
Pantalla Acerca de… ................................. Error! Bookmark not defined.
Figura 5. Formulario Principal MotorUSB ............ Error! Bookmark not defined. Figura 6. Simulación en Proteus ISIS Professional Error! Bookmark not defined.
iii
1. ELECTRÓNICA DE POTENCIA Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia. El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
1.1. Aplicaciones Siempre ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos. Esto llevo al desarrollo del sistema Ward Leonard para obtener un voltaje de corriente continua variable para el control de motores. La electrónica de potencia revoluciono la técnica del control de los motores eléctricos. La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. El control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos en el procesamiento de las señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica.
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La electrónica de potencia se basa, en primer término en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades de manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores-microcomputadores tiene un gran impacto sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza semiconductores de potencia, que pueden compararse con el músculo y microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro. La electrónica de potencia ha alcanzado un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluyen controles de calor, controles de iluminación, controles de motor, fuentes de alimentación, sistemas de propulsión de vehículos y sistemas de corriente continua de alto voltaje HVDC, High Voltage Direct Current,
1.2. - Usos frecuentes de a electrónica de potencia en: 1.2.1. Nuestra vida diaria •
Electrodomésticos
•
Refrigeradores
•
Congeladores
•
Aire acondicionado
•
Cocinas,
•
Iluminación,
•
Electrónica de consumo.
1.2.2. Aplicaciones Industriales: •
Control y accionamiento de motores CA y CC
•
Electrólisis
•
Alarmas
•
Tratamiento ultra-sonico
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•
Sistemas de alimentación,
•
Soldaje
•
Control de iluminación
•
Alimentación de motores para compresores
•
Bombas
•
Ventiladores
•
Inyectores
•
Robótica
•
Hornos de arco y de inducción
•
Alumbrado
•
Láseres industriales
•
Calentamiento por inducción
1.2.3. Aplicaciones Generales
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2. HISTORIA La electrónica de potencia empezó en 1900, con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego aparecieron gradualmente, el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al alto vacío de rejilla controlada, el ignitrón, el fanotron y el tiratrón. Estos dispositivos se aplicaron al control de energía hasta la década de 1950. La primera revolución electrónica se inicia en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories por los señores Bardeen, Brattain y Schockley. La mayor parte de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invención. A través de los anos, la microelectrónica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente gran avance, en 1956, también provino de los Bell Telephone Laboratories: la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como un tiristor o rectificador controlado de silicio, SCR en sus siglas en ingles. La segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Companc. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. La revolución de la microelectrónica nos dio la capacidad de procesar una gran cantidad de información a una velocidad increíble. La electrónica de potencia ha dado la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusión de la electrónica de potencia, que es el músculo con la microelectrónica que es el cerebro, se han descubierto muchas aplicaciones potenciales de la electrónica de potencia y se descubrirán más. Dentro de los siguientes próximos 30 años, la electrónica de potencia formara y condicionara la electricidad, en alguna parte de la línea de transmisión, entre el punto de generación y todos los usuarios. La revolución de la electrónica de potencia ha ganado inercia, desde el fin de los años 80 y principios de los 90.
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2.1. Resumen Comienza con la introducción del rectificador de mercurio en 1900. Luego el rectificador de tanque de metal, el rectificador de tubo de vacío, el ignitron, phanotron y el thyratron, utilizados hasta1950. En 1947 invento del transistor de silicio en los laboratorios BELL (Bardeen, Brattain y Schockley). En 1956 invento del transistor disparable definido como un
tiristor o
rectificador controlado de silicio (SCR). Laboratorios BELL En 1958 desarrollo comercial del tiristor por la compañía General Electric. Década de los 70: Circuitos Integrados (CI). Miniaturización. • Menor tamaño y peso. • Menor costo. • Menor consumo. • Más fiabilidad En 1975 Nacen los Microprocesadores (µp)
3. RECTIFICADORES O CONVERTIDORES 3.1. Convertidores AC/DC (Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua) es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.
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El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.
Figura 1.
Rectificadores
3.2. Convertidores AC/AC (Ciclooconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna) es un dispositivo eléctrico que convierte un voltaje AC, como el suministro de conducto principal, a otro voltaje AC. La amplitud y la frecuencia del voltaje de entrada tienden a ser fijas, mientras que tanto la amplitud como la frecuencia del voltaje de salida tienden a ser la variable.
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Una aplicación típica de un convertidor AC-AC es usarlo para controlar la velocidad de un motor de tracción AC (un tipo de motores eléctricos utilizados en locomotoras) y la mayor parte de estos convertidores tienen una salida de potencia alta, de la orden unos megavatios y SCRs son usados en este recorrido. En contraste, bajo coste, el poder bajo convertidor para el poder bajo AC motores está también en el uso y muchos de éstos el recorrido tiende a usar triacs en el lugar de SCRs. A diferencia de un SCR, que conduce en sólo una dirección, un triac es capaz de la conducción en una u otra dirección.
Figura 2.
Convertidores
3.3. Convertidores DC/AC (Inversores:
convierten
corriente
continua
en
corriente
alterna)
son
convertidores estáticos de energía que convierten la corriente continua CC en corriente alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más exactamente, ¡os inversores transfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna.
Figura 3.
Inversores
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3.4. Rectificadores DC/DC Los convertidores DC-DC son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de continua. Existen dos métodos para realizar la conversión DC/DC: Convertidores lineales: Basados en el empleo de un elemento regulador que trabaja en su zona resistiva disipando energía. Convertidores conmutados: Se basan en el empleo de los elementos semiconductores que trabajan en conmutación (corte/conducción), regulando de esta forma el flujo de potencia a la salida del convertidor. A estos convertidores también se les llama fuentes de alimentación conmutadas y poseen grandes ventajas respecto a los convertidores lineales.
4. ELEMENTOS
ELECTRÓNICOS
MÁS
UTILIZADOS
EN
LA
ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o VJT, el transistor uniunión programable o PVT y el diodo Shockley. Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia. La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción. Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este tutorial los tipos más significativos: Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.
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4.1. EL DIODO SHOCKLEY El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico ( I H ).
Figura 4.
Construcción básica y símbolo del diodo Shockley
4.1.1. Característica tensión-intensidad Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, sólo habrá una corriente muy pequeña hasta que se alcance la tensión de ruptura ( V RB).
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Figura 5.
Característica I-V del diodo Shockley
En polarización positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensión V B0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la práctica, por los componentes externos. La conducción continuará hasta que de algún modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento I H . La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene un límite impuesto por el propio componente ( I MAX ), que si se supera llevará a la destrucción del mismo. Por esta razón, será necesario diseñar el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parámetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es V RB, ya que provocaría un fenómeno de avalancha similar al de un diodo convencional.
4.1.2. Ejemplo de aplicación: detector de sobretensión En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de conducción de 10 V. Por tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir, de 9 V,
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el diodo está abierto, no circula corriente por él y la lámpara estará apagada. Pero si la tensión de la fuente supera, por una falla en su funcionamiento una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación y la lámpara se enciende. Permanecerá encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensión vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido una falla. La única forma de apagar la lámpara sería desconectar la alimentación.
Figura 6.
Detector de sobretensión
4.2. 2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.
Figura 7.
Construcción básica y símbolo del SCR
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4.2.1. Característica tensión intensidad Tal y como se aprecia en la Figura 5, la parte de polarización inversa de la curva es análoga a la del diodo Shockley.
Figura 8.
Característica del SCR
En cuanto a la parte de polarización positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensión en el terminal de puerta ( gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo y cátodo cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rápidamente, quedando limitada en la práctica por componentes externos. Podemos ver en la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán la destrucción del SCR si se superan: V RB e I MAX . V RB (Reverse Breakdown Voltage) es, al igual que en el diodo Shockley, la tensión a partir de la cual se produce el fenómeno de avalancha. I MAX es la corriente máxima que puede soportar el SCR sin sufrir daño. Los otros dos valores importantes son la tensión de cebado V BO (Forward Breakover Voltage) y la corriente de mantenimiento I H , magnitudes análogas a las explicadas para el diodo Shockley.
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4.2.2. Métodos de conmutación Para que el dispositivo interrumpa la conducción de la corriente que circula a través del mismo, ésta debe disminuir por debajo del valor I H (corriente de mantenimiento). Hay dos métodos básicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupción de corriente anódica y conmutación forzada. Ambos métodos se presentan en las figuras Figura 9 y Figura 10.
Figura 9.
Apertura del SCR mediante interrupción de la corriente anódica
En la Figura 9 se observa cómo la corriente anódica puede ser cortada mediante un interruptor bien en serie (figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). El interruptor en serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR deje de conducir. El interruptor en paralelo desvía parte de la corriente del SCR, reduciéndola a un valor menor que I H . En el método de conmutación forzada, que aparece en la Figura 7, se introduce una corriente opuesta a la conducción en el SCR. Esto se realiza cerrando un interruptor que conecta una batería en paralelo al circuito.
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Figura 10.
Desconexión del SCR mediante conmutación forzada
4.2.3. Aplicaciones del SCR Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores ( dimmer ) de lámparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos. En la Figura 11 se muestra un circuito de control de fase de media onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 V (AC). R
L
representa
la resistencia de la carga (por ejemplo un elemento calefactor o el filamento de una lámpara). R1 es una resistencia limitadora de la corriente y R2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR. Mediante el ajuste del mismo, el SCR se puede disparar en cualquier punto del ciclo positivo de la onda en alterna entre 0 y 180º, como se aprecia en la Figura 8.
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Figura 11.
(a) Conducción durante 180º (b) Conducción durante 90º
Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), como en la Figura 11 (a), conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima potencia a la carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 11 (b), el SCR conduce durante aproximadamente 90º y se transmite menos potencia a la carga. Mediante el ajuste de R X , el disparo puede retardarse, transmitiendo así una cantidad variable de potencia a la carga. Cuando la entrada en AC es negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez hasta el siguiente disparo durante el ciclo positivo. Es necesario repetir el disparo en cada ciclo como se ilustra en la Figura 12. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR.
Figura 12.
Disparos cíclicos para control de potencia
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4.3. 3 GCS (Gate Controlled Switch) Este dispositivo es similar al SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de corriente con una señal en el terminal de gate. Igual que el SCR, no permitirá el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en el terminal de puerta. La diferencia se encuentra en que el GCS puede pasar al estado de corte mediante un pulso negativo 10 ó 20 veces mayor que el pulso positivo aplicado para entrar en conducción.
Figura 13.
Símbolo del GCS
Los GCS están diseñados para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas pocas decenas de amperios.
4.4. 4 SCS (Silicon Controlled Switch) Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR.
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Figura 14.
Figura 11: Símbolo del SCS
El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este último tiene la ventaja de poder abrirse más rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente. También se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores.
4.5. 5 EL DIAC Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.
Figura 15.
Construcción básica y símbolo del diac
La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.
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Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento I H . Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.
Figura 16.
Característica V-I del diac
4.6. 6 EL TRIAC Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta ( gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje V BO como el diac.
Figura 17.
Construcción básica y símbolo del TRIAC.
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En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de V BO es distinto. En la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de V BO más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor I H.
Figura 18.
Característica V-I del triac
Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.
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Figura 19.
Control básico de potencia con un Triac
4.7. RESUMEN Como resumen final del tema se reflejan en una tabla las características más importantes de los tiristores que se han presentado. TIRISTOR
UNIDIRECCIONAL
BIDIRECCIONAL
1 GATE 2 GATE 0 GATE ON/OFF
SHOCKLEY
X
SCR
X
X
GCS
X
X
SCS
X
X
X X
DIAC
X
TRIAC
X
X X
X
20
