Marzo

Electrónica de Potencia

1.Objetivo

Aporta  la capacidad de comprender la operación de los circuitos electrónicos de potencia así como ser capaz de modelar, analizar, diseñar, simular y construir circuitos electrónicos utilizando componentes discretos así como planear, organizar, dirigir y controlar actividades de instalación, operación y mantenimiento de sistemas y equipo electrónico.

2.Significado

La Electrónica De potencia es una Rama de la Ing. Eléctrica. La cual utiliza dispositivos electrónicos semiconductores de conmutación para desarrollar equipos o sistemas convertidores que aseguran la transformación de la amplitud y/o frecuencia de las formas de onda que transportan la energía eléctrica, por lo que la electrónica de potencia es un vinculo con otras fuentes de energía como, la energía mecánica, la térmica, la solar, la eólica, ente otras.

3.Partes de un equipo electronico de Potencia

Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se simboliza en la siguiente figura :

1.Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la carga.

 2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

En la Electrónica de Señal se varía la caída de tensión que un componente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en continua. Esta variación permite, a partir de una información de entrada, obtener otra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relación entre las señales de entrada y salida, examinando posteriormente la potencia suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La función de base es la amplificación y la principal característica es la ganancia. 

4. Aplicaciones de la Electrónica de Potencia

Por tanto la Electrónica de Potencia se ha introducido de lleno en la industria en aplicaciones tales como las fuentes de alimentación, cargadores de baterías, control de temperatura, varia dores de velocidad de motores. Es la Electrónica Industrial quien estudia la adaptación de sistemas electrónicos de potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrónico de potencia aquel circuito electrónico que se encarga de controlar un proceso industrial, donde interviene un transvase y procesamiento de energía eléctrica entre la entrada y la carga, estando formado por varios convertidores, transductores y sistemas de control., los cuales siguiendo hoy en día evolucionando y creciendo constantemente. El campo de la Electrónica de Potencia puede dividirse en grandes disciplinas o bloques temáticos

5.Dispositivos de la electronica de potencia

Semiconductores de alta potencia:

Dispositivo	Intensidad máxima
Rectificadores estándar o rápidos	50 a 4800 Amperios
Transistores de potencia	5 a 400 Amperios
Tiristores estándar o rápidos	40 a 2300 Amperios
GTO	300 a 3000 Amperios

Aplicaciones :

• Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.
• Industria:
  • Control de motores asíncronos.
  • Inversores.
  • Caldeo inductivo.
  • Rectificadores.

Módulos de potencia

Dispositivo	Intensidad máxima
Módulos de transistores	5 a 600 A. 1600 V.
SCR / módulos rectificadores	20 a 300 A. 2400 V.
Módulos GTO	100 a 200 A. 1200 V.
IGBT	50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones :

• Soldadura al arco.
• Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
• Control de motores.
• Tracción eléctrica.

Semiconductores de baja potencia

Dispositivo	Intensidad máxima
SCR	0'8 a 40 A. 1200 V.
Triac	0'8 a 40 A. 800 V
Mosfet	2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones :

• Control de motores.
• aplicaciones domésticas.
• Cargadores de baterías.
• Control de iluminación.
• Control numérico.
• Ordenadores

5.1 Clasificacion

Se clasifican en tres grupos:

• Dispositivos no controlados: En este se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) depende del circuito de potencia.
• Dispositivos semiconductores: En este se encuentran dentro de la familia de los tiristores, los SCR y los TRIAC. En esta supuesta conducción se puede a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo; es decir se tiene el control externo de la puesta en conducción, pero no así el bloqueo del dispositivo.
• Dispositivos totalmente controlados: En este se encuentra los transistores bipolares BJT,MOSFET,IGBT y los tiristores.

6. Diodos

Es un dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar prácticamente en cualquier circuito electrónico.

Constan de la unión de dos tipos de material semiconductor, uno tipo N y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unión.

Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

El diodo se puede puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:

Polarización directa:

Cuando la corriente circula en sentido directo, es decir del ánodo A al cátodo K, siguiendo la ruta de la flecha (la del diodo). En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito. El diodo conduce.

Polarización directa

Polarización inversaEs cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo.

En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo.

En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto

• Schottky. En un diodo Schottky se puede eliminar (o minimizar) el problema de almacenamiento de carga de una unión pn. Esto se lleva a cabo estableciendo una "barrera de potencial" con un contacto entre un metal y un semiconductor. Sobre una capa delgada epitaxial de silicio de tipo n se deposita una capa de metal. La barrera de potencial simula el comportamiento de una unión  np. La acción rectificadora sólo depende de los portadores mayoritarios, y por lo tanto no existen portadores minoritarios en exceso para recombinar. El efecto de recuperación se debe únicamente a la autocapacitancia de la unión semiconductora. La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que la de un diodo equivalente de unión pn. Dado que se debe sólo a la capacitancia de la unión, básicamente es independiente de la di/dt inversa. Un diodo Schottkytiene una salida de voltaje directa relativamente baja. La corriente de fuga de un diodo Schottky es mucho mayor que la de un diodo de unión pn. Un diodo Schottky con un voltaje de conducción relativamente bajo tiene una corriente de fuga relativamente alta, y viceversa. Como resultado, su voltaje máximo permisible será por lo general limitado a 100 V. Las especificaciones de corriente de los diodos Schottky varian de 1 a 300 A. Los diodos Schottky son ideales para las fuentes de alimentación de alta corriente y de bajo voltaje en corriente directa. Sin embargo, también se utilizan en fuentes de alimentación de baja corriente para una eficiencia mayor.

• Recuperación rápida.Los diodo  de recuperación rápida tienen un tiempo de recuperación bajo, por lo general menor que 5 μs. Se utilizan en circuitos convertidorse cv-cv y cd-ca, en los que la velocidad de recuperación es a menudo de importancia crítica. Estos diodos cubren especificaciones de corriente, desde menos de uno hasta cientos de amperios, con especificaciones de voltaje desde 50 V hasta aproximadamente 3 kV. Para especificaciones de voltaje por arriba de 400 V, los diodos de recuperación rápida por lo general se fabrican por difución y el tiempo de recuperación es controlado por difusión de oro o platino. Para aplicaciones de voltaje por debajo de 400 V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades de conmutación mayores que las de los diodos de difusión.

• Rectificadores.Los diodos de rectificación de uso general tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente alto, típica mente de 25μs, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempo de recuperación no es crítico (por ejemplo, en rectificadores de diodos y convertidores para una baja frecuencia de entrada, de hasta 1 kHz, y en convertidor conmutados en línea). Estos diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de uno hasta varios miles de amperios, con especificaciones de voltaje desde 50 V hasta alrededor de 5 kV. Estos diodos generalmente se fabrican por difusión. Sin embargo, los rectificadores de tipo de aleación usados en las fuentes de alimentación para máquinas de soldadura son muy económicos y duraderos, cuyas especificaciones pueden llegar hasta 300 A y 1000 V.

7. Tiristores

Los tiristores son los dispositivos semiconductores de potencia mas importantes, es de operación bies table, es decir, solo tiene dos estados; el de conducción y el de no conducción y es un dispositivo multicapa que ocupa para su funcionamiento la retroalimentacion positiva.Podemos dividir los tiristores en dos tipos de acuerdo a su capacidad de conducción en uno o en otro sentido osea:

1.Los tiristores unidirecionales: que son los que conducen en un sola dirección que podemos mencionar al rectificador controlado de silicio (SCR) por sus siglas en ingles.

2.Los tiristores bidireccionales que conducen en amos sentidos como un Triac . 

Los tiristores constan de dos termianles principales y otra para el encendido, Estos trabajan como conmutadores o switches los cuales se comportan como un circuito abierto, hasta que son activados o disparados.

*SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
Estan  Formado por cuatro capas semiconductoras alternadamente P-N -P- N,  teniendo tres terminales anodo (A), catodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y gate (G) que cuando se le inyecta una corriente hace que se establezaca  una corriente en sentido anodo-catodo.
Características de Tension Corriente: el SCR debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON) aplicando un pulso de corriente positiva en el termina de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo. Una vez que el SCR empieza a conducir este permanece en conducción aunque la corriente de puerta desaparezca , no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta.

*TRIAC
Es un tiristor bidireccional de tres terminales y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos. Como en el caso del SCR, tenemos una terminal de control denominado puerta que nos permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación.
El triac  es para aplicaciones pequeña potencia, con atenciones que no superan los 100v y corriente de 15A.

*GTO
Tambien tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. Su característica principal es su capacidad de entrar a conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G. Si la corriente que pasa por la puerta es positiva, el se mi conductor pasara al estado "off" al "on", y bise versa.

8. Transistores

Tiene la ventaja de que son totalmente controlados estos incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos hibridos como el IGBT.

*BJT (Transistor bipolar de potencia)
Fundamentalmente puede trabajar en tres zonas:

• Corte: No se inyecta corriente a la base; este se comporta como un interruptor abierto
• Activa: Se inyecta corriente a la base y este soporta una determinada tensión entre colector y emisor
• Saturacion: Se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir el Vce y conseguir que el transistor se comporte como un interruptor casi ideal.

*MOSFET
Son transistores controlados por tensión, ellos se debe al aislamiento de la puerta respecto del dispositivo. De forma análoga a los bipolares, tenemos fundamentalmente tres zonas de trabajo:

Corte: La tension entre la puerta y la fuente es mas pequeña que una determinada tensión (VT), con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto.
Oh mica: Si la tensión entre la puerta y la fuente es suficientemente grande y la tensión entre el drenado y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor cerrado.
Saturacion: Si el transductor esta cerrado pero soporta una tensión drenado- surtidor elevada, este se comporta como una fuente de corriente constante.

*IGBT
Es un dispositivo híbrido, reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas perdidas en conducción de los BJT, puede soportar tensiones elevadas con un sencillo control de tensión de puerta El accionamiento o disparo se lo realiza por tensión; este no soporta tensiones elevadas cuando es polarizado inversamente.
El IGBT tiene impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas perdidas de conducción en estado activo como el Bipolar. Su velocidad de conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFET.

9. Cuestionario

1.¿Que es Electrónica Potencial?

2.Da un ejemplo de donde se ejecuta la electrónica Potencial.

3.¿Clasificación de los Dispositivos de electrónica potencial?

4.¿Que es un diodo?

5.¿Que es el MOSFET?

6.¿Que es un Tiristor?

7.¿Como trabaja un tiristor?

8.¿Que es transistor?

9.¿Cual es la ley de OHM?

10.¿Cual es la función que toma un diodo en un circuito?

10. Bibliografia

http://www.ita.mx/reticulas/electronica-2010-211/Programas/FAIELC-2010-211ElectronicadePotencia.pdf

http://www.uv.es/emaset/descargas/IEP1-0506.PDF

http://es.scribd.com/doc/156231601/Dispositivos-Electronicos-de-Potencia#scribd

http://es.slideshare.net/izquierdocobos/dispositivos-de-electrnica-de-potencia

http://ocw.uc3m.es/tecnologia-electronica/electronica-de-potencia/material-de-clase-1/MC-F-002.pdf