1. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 1
Abstract – The following document deals with a report on the
practice carried out in the power electronics laboratory, which
consists in doing an implementation of switching devices such as
diodes, like general purpose or fast conmuting also we us
transistors for general purpose and fast commutation. In this
document is list diferente times that de comutation divices needs
to change states. This timedata are known as delay time, rise time,
store time, and fall time. In the same way, in this document the
various data obtained with the simulations are discussed and
reflected.
Resumen –El siguientedocumento trata de un informe sobre la
práctica realizada en el laboratorio de electrónica de potencia, el
cual consta de la implementación de dispositivos de conmutación
tales como diodos, ya sean de propósito general o de conmutación,
de transistores tanto de uso general como de conmutación. En
dicho documento se plasma el cálculo de varios tiempos manejados
frente al comportamiento de las señales obtenidas. Estos datos de
tiempo se conocen cómo tiempo de retardo, tiempo de subida,
tiempo de almacenamiento y tiempo de caída. De la misma
manera, en dicho documento se habla y se plasman los diversos
datos obtenidos con los cálculos.
Índice de Términos – diodo, transistor, conmutación, tiempo de
caída, tiempo de almacenamiento, tiempo de retardo, tiempo de
subida.
I. INTRODUCCIÓN
Para la siguiente práctica, se desea implementar en diversos
casos de disposición de elementos tales como diodos y
transistores en un circuito para luego con estos poder hallar las
diversas acciones que estos toman respecto a una señal
cuadrada aplicada. En una instalación eléctrica,
un conmutador es un dispositivo eléctrico o electrónico que
permite modificar el camino que deben seguir los electrones.
Son típicos los manuales, como los utilizados en las viviendas
y en dispositivos eléctricos, y los que poseen algunos
componentes eléctricos o electrónicos como el relé, los diodos,
los transistores,etc.Se asemejan a los interruptores en su forma
exterior, pero los conmutadores, una vez que desconectan un
circuito, conectan otro inmediatamente.
El diodo ideal es un componente discreto que permite la
circulación de corriente entre sus terminales en un determinado
sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario. En la
Figura 1 se muestra el símbolo y la curva característica tensión-
intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido
permitido para la corriente es de ánodo (a) a cátodo (k).
En electrónica, pequeño dispositivo semiconductor que
cierra o abre un circuito o amplifica una señal; se emplea en
circuitos integrados para generar bits (ceros y unos).
II. PROCEDIMIENTO.
A. Primer ejercicio para realizar
Para esta parte de la práctica se requiere implementar el circuito
de la siguiente figura:
Figure 1 Circuito de conmutación con Diodo
Una vez realizado el montaje del circuito, a partir de la
herramienta simulink, se procede a aplicar una señalde entrada
cuadrada. Este circuito consta de un diodo D=1N4004 el cual
es un diodo de propósito general y una resistencia de 250 ohm.
Una vez realizado el montaje se requiere que el voltaje de
entrada sea siempre de 5V mientras que la frecuencia se va
aumentando en cada prueba. Con esto se procede
Dispositivos de conmutación
(septiembre de 2020)
Diego Alejandro Moreno, Óscar David Vega, Juan Camilo Ocampo
Facultad de Ingenierías, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia
diego.moreno@utp.edu.co oscarvega013@utp.edu.co camiloocampo9@gmail.com
2. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 2
posteriormente a la toma del voltaje de salida, es decir, el
voltaje en la carga a partir de la señal dada por el osciloscopio
y de la misma forma para los tiempos de subida, caída
recuperación inversa y de caída.
Datos para frecuencia de 1khz:
Vout 4.20 V
Tiempo Subida 7.683 us
Tiempo Recuperación 423.309 us
Tiempo Caída 39.86 us
Tabla 1. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Vout 4.20V
Tiempo Subida 13.137 us
Tiempo Recuperación 33.49 us
Tiempo Caída 5.125 us
Tabla 2. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Vout 4.20 V
Tiempo Subida 1.436 us
Tiempo Recuperación 23.307 us
Tiempo Caída 1.313 us
Tabla 3. Datos de tiempo para 20KHz
Datos para frecuencia de 50khz:
Vout 4.20 V
Tiempo Subida 1.037 us
Tiempo Recuperación 8.761 us
Tiempo Caída 989.191 ns
Tabla 4. Datos de tiempo para 50KHz
Figure 2 Subida de la señal
Figure 3 Bajada de la señal
Figure 4 Circuito en matlab
En las tablas de resultados para cada frecuencia se puede
apreciar que, a medida que la frecuencia aumenta los tiempos
de subida, caída y recuperación inversa disminuyen
gradualmente, esto es debido a que se le está exigiendo al
dispositivo responder más rápido.
B. Segundo ejercicio para implementar
Para este inciso se procede a realizar exactamente los mismos
pasos del ejercicio anterior, con la diferencia de que esta vez el
diodo a emplear será un diodo rápido también llamado diodo de
conmutación de alta velocidad, es un diodo de baja potencia y
alta velocidad de conmutación, es decir, que da soporte a
colocarse en aplicaciones de conmutación de MHz, este cuenta
con una inversión del tiempo de baja recuperación. La
simulación de este circuito se realizó en proteus.
Para este circuito también se realiza su respectivo análisis de
datos,el cual se encuentra en el apartado de “análisis de datos”.
Datos para frecuencia de 1khz:
Vout 4.22 V
Tiempo Subida 0.738 us
3. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 3
Tiempo Recuperación 4.18 us
Tiempo Caída 0.713us
Tabla 5. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Vout 4.22 V
Tiempo Subida 0.1098 us
Tiempo Recuperación 94.35 us
Tiempo Caída 0.713 us
Tabla 6. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Vout 4.22 V
Tiempo Subida 0.74 us
Tiempo Recuperación 4.155 us
Tiempo Caída 0.713 us
Tabla 7. Datos de tiempo para 20KHz
Datos para frecuencia de 50khz:
Vout 4.22 V
Tiempo Subida 0.699 us
Tiempo Recuperación 04.35 us
Tiempo Caída 0.712 us
Tabla 8. Datos de tiempo para 50KHz
Figure 5 Circuito con diodo rapido
So logra observaren la información plasmada en las tablas que
con la utilización del diodo rápido se puede evacuar de forma
más eficiente la carga a señales de alta frecuencia. Es evidente
también que los tiempos disminuyen drásticamente en
comparación a la prueba anterior.
C. Tercer ejercicio para implementar
Para el siguiente inciso se parte del montaje del siguiente
circuito el cual es implementado en la herramienta proteus:
Figure 6 Circuito de conmutación con transistor
El circuito anterior consta de un transistor T=TIP31 el cual es
un transistor de propósito general, de una resistencia
Rc=47ohm, 5w y Rb=250ohm.
Una vez realizado el montaje se hace la toma de datos de la
misma forma que en los circuitos anteriores, dejando un voltaje
de entrada constante y variando la frecuencia. Para este punto,
se toma el dato de tensión en la resistencia Rc a partir del
osciloscopio, y a su vez los datos de tiempo de retardo, subida
y caída.
Los datos principales requeridos para obtener en dicho numeral
a partir del software usado son los de la corriente y la tensión
en la carga y también para Vce.
Datos para frecuencia de 1khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 0.86 us
Tiempo Retardo 0.666 us
Tiempo Caída 0.61 us
Tabla 9. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 0.851 us
Tiempo Retardo 0.691 us
Tiempo Caída 0.611 us
Tabla 10. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 0.86 us
Tiempo Retardo 0.68 us
Tiempo Caída 0.61 us
Tabla 11. Datos de tiempo para 20KHz
4. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 4
Datos para frecuencia de 50khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 0.876 us
Tiempo Retardo 0.686 us
Tiempo Caída 0.596 us
Tabla 12. Datos de tiempo para 50KHz
Figure 7 Circuito de conmutación con transistor en proteus
Figure 8 Señal optenida
D. Cuarto ejercicio para implementar
Una vez implementado y realizado el circuito de la figura
anterior con los parámetros plasmados, se desea realizar el
mismo proceso, pero esta vez implementado los valores de Rs
y Cs calculados a dicho circuito y la red snubberde la siguiente
figura:
Figure 9 Circuito de protección del transistor
Datos para frecuencia de 1khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 262 ns
Tiempo Retardo 283 ns
Tiempo Caída 471 ns
Tabla 13. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 143ns
Tiempo Retardo 143ns
Tiempo Caída 870ns
Tabla 14. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 207ns
Tiempo Retardo 147ns
Tiempo Caída 450ns
Tabla 15. Datos de tiempo para 20KHz
Datos para frecuencia de 50khz:
Vout 12 V
Tiempo Subida 275ns
Tiempo Retardo 250ns
Tiempo Caída 781ns
Tabla 16. Datos de tiempo para 50KHz
5. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 5
Figure 10 Circuito de conmutación con transistor en
proteus
E. Quinto ejercicio para implementar
Para este numeral se requiere del circuito de la figura 6
anteriormente mencionada, pero esta vez empleando un
transistor de conmutación y con un valor de inductancia
disponible en las herramientas de las cuales se obtienen los
elementos.
Una vez realizado dicho montaje se obtiene a partir del
osciloscopio las ondas de tensión y corriente en la carga y estas
mismas para Vce, junto con su tiempo de retardo, subida y
caída.
Figure 11 Circuito de protección en proteus
Datos para frecuencia de 1khz:
Tiempo Subida 25 ns
Tiempo Retardo 32 ns
Tiempo Caída 78 ns
Tabla 17. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Tiempo Subida 28 ns
Tiempo Retardo 33 ns
Tiempo Caída 79 ns
Tabla 18. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Tiempo Subida 26 ns
Tiempo Retardo 33 ns
Tiempo Caída 81 ns
Tabla 19. Datos de tiempo para 20KHz
Datos para frecuencia de 50khz:
Tiempo Subida 25 ns
Tiempo Retardo 38 ns
Tiempo Caída 78 ns
Tabla 20. Datos de tiempo para 50KHz
El tiempo de recuperación del transistor es tan eficiente que
no importa la frecuencia utilizada se vio una señal cuadrada
perfecta con tiempos de subida, bajada, retardo y
almacenamiento muy aceptables.
F. sexto ejercicio para implementar
Se solicita el análisis y la obtención de datos delmismo circuito
del numeral anterior, pero esta vez agregando una inductancia
en serie a la resistencia y ademas consta de un circuito de
protección para el transistor.Empleando los valores calculados
de Rs y Cs.
Datos para frecuencia de 1khz:
Tiempo Subida 249 ns
Tiempo Retardo 351 ns
Tiempo Caída 188 ns
Tabla 21. Datos de tiempo para 1KHz
Datos para frecuencia de 10khz:
Tiempo Subida 275 ns
Tiempo Retardo 341 ns
Tiempo Caída 200 ns
Tabla 22. Datos de tiempo para 10KHz
Datos para frecuencia de 20khz:
Tiempo Subida 260 ns
Tiempo Retardo 347 ns
Tiempo Caída 159 ns
Tabla 23. Datos de tiempo para 20KHz
Datos para frecuencia de 50khz:
Tiempo Subida 250 ns
Tiempo Retardo 372 ns
Tiempo Caída 160 ns
Tabla 24. Datos de tiempo para 50KHz
6. Laboratoriode electronica de potencia, 3 de septiembre de 2020,Universidadtecnológica de Pereira 6
Para este caso no fue conveniente implementar una red
snubber debido a que el transistor ya era demasiado rápido,
estas redes son de gran utilidad para que los valores de
conmutación no sobrepasen el valor Vcc o nominal del
dispositivo de conmutación.
Figure 12 Circuito pregunta sexta en proteus
III. CONCLUSIONES
1. Los diodos de tipo propósito general se comportan de una
manera aceptable a señales mayores de 1KHz, pero este
tipo de diodo puede presentar un mejor funcionamiento
con frecuencias menores ya que estas le brindan más
tiempo al diodo para que desaloje la carga antes de
cambiar de estado.
2. Los transistores presentan una mejor respuesta a las
señales con valores de frecuencia muy altos en
comparación con el diodo de conmutación, pero también
presenta una desventaja y es que estosson propensos a ser
dañados por picos de tensión muy altos entre sus
terminales de potencia.
3. Es necesario indicar que al conectarla protección snubber
se evidenció una caída de tensión considerable en la
salida pero al aumentar el valor de la resistencia se ve una
recuperación en ese valor de tensión para el valor de
capacitancia de 0.000343F se requiere alrededor de 500
ohms para que el valor de salida alcance casi los 12 volts.
REFERENCIAS
[1]. Daniel W. Hart, Electrónica de potencia, 3rd Ed,
Prentice hall, 1997, pp.4–9, Access (14 de Febrero del
2019).
[2]. Muhammad H Rashid, Electrónica de potencia, 3rd
Ed, Prentice hall hispanoamericana s.a,1995, pp.20–24.
Access (14 de Febrero del 2019)
