Electronica De Potencia

Electrónica de potencia

El término “Electrónica de Potencia” cubre una amplia serie de circuitos electrónicos en los cuales el objetivo es controlar la transferencia de energía eléctrica. Se trata por tanto de una comprendida entre la Electrotécnia y la Electrónica. Su estudio se realiza desde dos puntos de vista: el de los componentes y el de las estructuras.

En el proceso de conversión de la naturaleza de la energía eléctrica, toma vital importancia el

rendimiento del mismo. La energía transferida tiene un valor elevado y el proceso debe realizarse de forma eficaz, para evitar que se produzcan grandes pérdidas. Dado que se ponen en juego tensiones e intensidades elevadas, si se trabaja en la zona lineal de los semiconductores, las perdidas de potencia pueden llegar a ser excesivamente elevadas, sobrepasando en la inmensa mayoría de los casos las características físicas de los mismos, provocando considerables pérdidas económicas y materiales. Parece claro que se debe trabajar en conmutación.

Campos de aplicación

En general los sistemas de potencia se utilizan para accionar cualquier dispositivo que necesite una entrada de energía eléctrica distinta a la que suministra la fuente de alimentación primaria. Podemos encontrar aplicaciones de baja potencia, media y alta, con un amplio margen, desde algunos cientos de vatios hasta miles de kilovatios.

Veamos a continuación algunas de las aplicaciones industriales de cada uno de los convertidores:

Rectificadores:

- Alimentación de todo tipo de sistemas electrónicos, donde se necesite energía eléctrica en

forma de corriente continua.

- Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Máquinas herramienta,

carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminación y papeleras.

- Transporte de energía eléctrica en c.c. y alta tensión.

- Procesos electroquímicos.

- Cargadores de baterías.

Reguladores de alterna:

- Calentamiento por inducción.

- Control de iluminación.

- Control de velocidad de motores de inducción.

- Equipos para procesos de electrodeposición.

Cambiadores de frecuencia:

- Enlace entre dos sistemas energéticos de corriente alterna no sincronizados.

- Alimentación de aeronaves o grupos electrógenos móviles.

Inversores:

- Accionadores de motores de corriente alterna en todo tipo de aplicaciones industriales.

- Convertidores corriente continua en alterna para fuentes no convencionales, tales como la

fotovoltaica o eólica

- Calentamiento por inducción.

- SAI

Troceadores:

- Alimentación y control de motores de continua.

- Alimentación de equipos electrónicos a partir de baterías o fuentes autónomas de corriente

continua.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:

• Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.

• Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía.

• Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.

• Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.

Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.

Dispositivos de potencia

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran:

• Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)

• Triac

• IGBT

• IGCT

• MCT

1.3.-UJT, PUT, DIAC, SCR, TRIAC, SUS, SBS, LASCR, GTO, SCS, IGBT, MOSFET DE POTENCIA

UJT

El transistor uniunión también conocido por sus siglas inglesas UJT se compone por un par de electrodos denominados bases (B1 y B2) y un electrodo emisor (E). La denominación transistor uniunión proviene del hecho de que posea tres electrodos, como un transistor, pero que, a diferencia de este, sólo posea una única unión.

El UJT puede utilizarse también como elemento de disparo de un triac.

El UJT es un transistor especial, que conduce de una manera especial.

Su corriente de puerta (base), lo ceba, pero hasta que no alcanza una tensión (determinada por el fabricante), éste no se queda en estado de conducción, es decir, que vuelve a pasar a ser un circuito abierto.

Vr = Vbb / (RB1 + RB2) • RB1 = (RB1 / Rbb) • Vbb = n • Vbb

Vp = Vr + 0,6 v

Vp = Vbb • r + 0,6 v

TRANSISTOR MONOUNION (UJT).

El transistor monounión (UJT) se utiliza generalmente para generar señales de disparo en los SCR. En la fig.5 se muestra un circuito básico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounión tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentación Vs en cd, se carga el capacitor C a través de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a través de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.

El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación Vs y está dado por:

T = 1/f = RC ln 1/1-n

Fig.5 Circuito básico de disparo de un UJT

PUT.- TRANSISTOR MONOUNION PROGRAMABLE.

El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor que aparece en la fig.7. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajación, tal y como se muestra en la fig.7b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp está fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentación de cd, pero en un PUT puede variar al modificar al modificar el valor del divisor resistivo R! y R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservará en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta en una caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentación en cd Vs. N general Rk está limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.

R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por:

T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)

Fig.7 Circuito de disparo para un PUT.

PUT: Características

El PUT (Transistor Uniunión programable) es un dispositivo que, a diferencia del transistor bipolar común que tiene 3 capas (NPN o PNP), tiene 4 capas.

El PUT tiene 3 terminales como otros transistores y sus nombres son: cátodo K, ánodo A, puerta G.

A diferencia del UJT, este transistor permite que se puedan controlar los valores de RBB y VP que en el UJT son fijos. Los parámetros de conducción del PUT son controlados por la terminal G

Este transistor tiene dos estados: Uno de conducción (hay corriente entre A y K y la caída de voltaje es pequeña) y otro de corte cuando

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