CONMUTACION DE CARGAS INDUCTIVAS

1CONMUTACION DE CARGAS INDUCTIVAS

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INTRODUCCIÓN

En la práctica, la mayoría de los actuadores finales o elementos que producen trabajo bien sea movimiento (motores), contactos (contactores), desplazamientos (solenoides), apertura o cierre (válvulas eléctricas), transformación de energía eléctrica (transformadores) son debido a su construcción de naturaleza inductiva por lo que su comportamiento difiere en gran medida de las cargas de tipo resistivo. Las cargas o elementos inductivos almacenan corriente y no aceptan cambios o interrupciones súbitas de la misma

El hecho de que estos elementos inductivos no acepten cambios intempestivos de corriente no significa que estos cambios no se hagan; de hecho, si una carga inductiva se halla en serie con un interruptor bien sea manual, electromecánico o electrónico será sometida a un cambio súbito de corriente cuando dicho e interruptor se abra o se cierre

OBJETIVOS

• Identificar ciertas características de las cargas inductivas como corrientes de activación, corriente de sostenimiento, inductancia a la apertura, inductancia al cierre, resistencia interna entre otros
• Hacer uso del transistor como elemento interruptor repasando su comportamiento en corte y saturación
• Estudiar y analizar las formas de onda de voltaje y corriente en la inductancia y en el transistor visualizando las consecuencias sobre el mismo
• Construir graficas de tiempos de carga y descarga de la inductancia y determinar la máxima frecuencia de conmutación

MARCO TEORICO

En la figura 1 se muestran imágenes y diagramas representativos posibles de un solenoide y un relevo

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Figura 1. Imágenes y diagramas representativos de solenoide arriba y relevo abajo

Con respecto al solenoide, al aplicar corriente por uno de sus extremos, el embolo sale de la armadura; si la corriente se suspende el resorte devuelve el embolo al fondo de la armadura. En el relevo o contactor, sin energizar la bobina los contactos 1 estará abierto y 2 estará cerrado; al energizar la bobina el contacto cerrado se abre y el abierto se cierra

Características de la inductancia

La inductancia en un electroimán o solenoide depende de si el embolo (núcleo en este caso) está dentro o fuera de la armadura. Se tienen entonces los siguientes datos para la bobina

• r   = Resistencia interna de la bobina. Depende de la temperatura

• Ia = Corriente de activación: Necesaria para sacar de quietud los contactos o el embolo

• Im = Corriente de mantenimiento: Se refiere a la corriente mínima necesaria para mantener activo la carga utilizada; su valor es muy inferior al de la corriente de activación  

• La = Inductancia a la apertura
• Lc = Inductancia al cierre      

Características del transistor

• hFE o beta β= Es el parámetro del transistor que explica la propiedad de magnificación de la corriente de colector con respecto a la corriente de base. En conmutación, la beta carece de sentido, pero se usa como trampolín para efectos de cálculo llevándolo a los extremos:[pic 7]

                               [pic 8]

En saturación se verifica: VCEsat = 0.2V; VBE > 0.7V  

Reacción de la bobina

El circuito que se muestra, presenta una fuente de alimentación DC en serie con una inductancia L y un interruptor.[pic 9]

Estando el interruptor cerrado por mucho tiempo, la bobina ha adquirido corriente IL que circula a través del circuito.

En el momento de abrir el interruptor, la corriente de la bobina desaparece súbitamente, es decir, se le obliga a la bobina a descargarse de corriente en un tiempo to= 0. En este caso la bobina genera en el punto de contacto con el interruptor    un voltaje de valor infinito que puede dañar el punto de contacto y acortar   la vida útil del interruptor.

Si en vez del interruptor se coloca un transistor, las consecuencias son más trágicas ya que el semiconductor se puede ver averiado por exceso de Vce máxime si el número de aperturas y cierres es muy frecuente

En los ejercicios que se plantean a continuación, se analiza el efecto inductivo sobre el transistor y se plantean varias formas de solución

Ejemplo 01            

Analizar el efecto de llevar un transistor de saturación a corte con un relevo y un transistor. Los elementos tienen las siguientes características:

Inductancia                Corriente de activación                         IA = 100mA        

Corriente de sostenimiento                         IH  = 20 mA

Resistencia interna                                 r = 100 Ω

Inductancia a la apertura                        LA = 500m H

Inductancia al cierre                                LC = 1H

Transistor                        Beta nominal                                        βo = 100         (usar β = βo/4)

Voltaje colector-emisor en saturación        VCEsat = 0.2V

Voltaje colector –emisor en corte                VCEcorte = Vcc

Solución

a. En saturación (Transistor actuando como interruptor cerrado)

β = βo/4 = 100 /4 = 25

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Esta Ic es la misma IL

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b. En corte (cuando el transistor se abre)

Cuando el transistor se lleva a corte, es decir, cuando se suspende la IB se abre el circuito de la bobina, esta no acepta cambios instantáneos de corriente, pero si se obliga como en este caso, ella reacciona generando un voltaje en el colector del transistor de valor muy alto (teóricamente infinito) que puede calentarlo o destruirlo más aún si estos sobre picos son repetitivos. Observe la figura siguiente

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Existen varias alternativas para corregir esta situación, todas pretenden ofrecer un camino lento de descarga de la corriente de la bobina. En los ejercicios que siguen se analizan varios casos.

Ejemplo 02

Hacer el análisis de la misma situación del ejemplo anterior, pero en este caso colocando una resistencia de 1KΩ en paralelo con la bobina

Solución

1. Análisis en saturación: (t1-t2)

Suponiendo que la bobina ya está plenamente cargada de corriente se obtienen los siguientes datos:

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1. Cuando el transistor pasa de saturación a corte (t2 a t3)

Justamente en t2 el transistor se abre porque IB=0 y el circuito queda transformado como se aprecia en la figura

R absorbe el pico de voltaje ya que la bobina se descarga a través de ella y de su propia resistencia interna r con una velocidad:

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Si se tiene en cuenta que la descarga total sucede en 5τ : 5x909μS = 4.5mS, el sistema se alcanza a descargar completamente[pic 19]

Volviendo al circuito, en t2=0 o sea cuando comienza la descarga el voltaje instantáneo en el colector del transistor es: Vc=118mAx1K+12V=130V

Obsérvese que el Vc se va agotando a medida que la bobina se descarga y desciende hasta 12V que es el VCE de corte

1.  Cuando el transistor se vuelve a saturar (t3 a t4)

la IB sube instantáneamente a 5.2 mA. En t3 la Ic por parte de R aparece instantáneamente más no la corriente por parte de la bobina. O sea:

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