El documento trata sobre las aplicaciones de la electrónica de potencia. Explica que la electrónica industrial combina energía, electrónica y control para aplicaciones como controles de motores, sistemas de tracción y controles industriales. También describe los dispositivos semiconductores de potencia como diodos, tiristores y transistores que se usan en la electrónica de potencia, así como algunas de sus aplicaciones como controles de calefacción, iluminación y motores.

1. Electrónica Industrial
Clase 1 29-01-2014

2. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
 Durante muchos años la necesidad de controlar la potencia eléctrica de
los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por
motores eléctricos. La electrónica industrial ha revolucionado la idea de
control para la conversión de potencia y para el control de los motores
eléctricos.
 La electrónica industrial combina la energía, la electrónica y el control. El
control se encarga del régimen permanente y de las características
dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el
quipo
de
potencia
estática
rotativa
y
giratoria,
para
la
generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica
se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado solido requeridos en el
procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control
deseados.

3. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
 Por lo tanto la electrónica Industrial se puede definir como la aplicación de
la electrónica de estado solido para el control y la conversión de la
energía eléctrica. En la figura 1 se muestra la interrelación de la
electrónica industrial con la energía, la electrónica y el control.
Potencia
Control Analógico | Digital
Control Analógico | Digital
Control Analógico | Digital
Electrónica

4. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
 La electrónica industrial se basa, en primer termino, en la conmutación de
dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la
tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades de
manejo de energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de
potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de
los microprocesadores-microcomputadoras 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 industrial moderno
utiliza (1) semiconductores de potencia que pueden compararse con el
musculo, y (2) microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia del
cerebro.

5. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
 La electrónica industrial ha alcanzado ya 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 directa de alto voltaje.
 Resulta difícil trazar los limites de las aplicaciones de la electrónica de
potencia; en especial con las tendencias actuales de desarrollo de los
dispositivos de potencia y los microprocesadores, el limite superior esta aun
indefinido. En la tabla 1.1 se muestran algunas aplicaciones de la
electrónica de potencia.

6. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Abre puertas eléctricas
Acondicionamiento de aire
Alarmas
Alarmas contra robo
Amplificadores de Audio
Arrancadores para turbinas de gas
Atenuadores
Atenuadores luminosos
Calderas
Calefacción por inducción
Cargador de batería

7. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Centelladores luminosos
Charolas para calentar alimentos
Cobijas eléctricas
Computadoras
Conductores
Controles de Calor
Controles lineales de motor de inducción
Corriente directa de alto voltaje
Crisoles
Electrodeposito eelctromecanico
Electrodomesticos

8. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Electroimanes
Elevadores
Estibadores
Excitadores de generador
Exhibidores
Fuentes de alimentación para aeronaves
Fuentes de alimentación para laser
Grabaciones magnéticas
Grúas y tornos
Herramientas eléctricas
Herramientas manuales de potencia

9. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Electroimanes
Elevadores
Estibadores
Excitadores de generador
Exhibidores
Fuentes de alimentación para aeronaves
Fuentes de alimentación para laser
Grabaciones magnéticas
Grúas y tornos
Herramientas eléctricas
Herramientas manuales de potencia

10. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Hornos de cemento
Ignición electrónica
Iluminación de alta frecuencia
Juegos
Licuadoras
Locomotoras
Mezcladores de alimento
Molinos
Precipitadores electrostáticos
Procesos químicos
Publicidad

11. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Puertas de cochera automaticas
Pulsador
Relevadores de engache
Secadoras de ropa
Secadoras eléctricas
Vehículos eléctricos
Ventiladores
Ventiladores eléctricos
Fuentes de alimentación para radar/sonar
Transito masivo
Minería

12. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Control de hornos
Controles de motor
Circuitos de televisión
Fuentes de alimentación
Compensación de voltamperios reactivos
Perforación de pozos petroleros
Generadores Ultrasónicos
Propulsores motores
Maquinas dispensadoras automáticas
Interruptores estáticos
Bombas y compresores

13. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Fonógrafos
Fotocopias
Controles de señales de transito
Transmisores de muy baja frecuencia
Deflectores de televisión
Trenes de laminación
Sistemas de seguridad
Trenes miniatura
Amplificadores de radio frecuencia
Fuentes de alimentación de energía solar
Soldadura

14. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Material fotográfico
Lavadoras
Juguetes
Producción de Papel
Sistemas servo
Trenes
Arranque de maquinas síncronas
Proyectores de cine
Reguladores de voltaje
Fuentes de poder para aplicaciones espaciales
Temporizadores

15. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia
Tabla 1.1 Algunas Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Maquinas de cocer
Aceleradores de partículas
Magnetos o electroimanes
Fibras sintéticas
Relevadores de estado solido
Aspiradoras de vacío
Transportadores de personas
Unidad superficial de rango
Barra de control de reactor nuclear
Reguladores
Contadores de estado solidoRefrigeradores

16. Aplicaciones de la electrónica de
Potencia

17. Dispositivos semiconductores de
potencia
 A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos
semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma
comercial. Estos se pueden dividir en cinco tipos principales:
1. Diodos de Potencia
2. Tiristores
3. Transistores Bipolares (BJT)
4. MOSFET de Potencia
5. Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT) y transistores de
inducción estáticos (SIT)

18. Dispositivos semiconductores de
potencia
 A su vez los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos:
1. Tiristor de conmutación forzada
2. Tiristor conmutado en línea
3. Tiristor desactivado por compuerta (GTO)
4. Tiristor de conducción inversa (RCT)
5. Tiristor de inducción estático (SITH)
6. Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT)
7. Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR)
8. Tiristores controlados por MOS (MCT)

19. Dispositivos semiconductores de
potencia
 Los transistores de inducción estáticos también están disponibles en forma
comercial.
 Los diodos de potencia son de tres tipos:
1. De uso general
2. De alta velocidad (o de recuperación rápida) y
3. Schottky

20. Tiristor
 El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos
semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una
conmutación.
 Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir,
dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar
como aislantes o como conductores.
 Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en
un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia
eléctrica.
 El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo
PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos
PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión
realimentada.

21. Tiristor
 Representación Física

22. Tiristor
 Símbolo

23. Formas de activar un tiristor
 Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo
silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el
tiristor.
 Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de
una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y
cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el
voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
 Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del
número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de
fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a
la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede
activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica,
normalmente cuando en un diseño se establece este método como método
de activación, esta fuga tiende a evitarse.

24. Formas de activar un tiristor
 Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor
que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo
suficientemente grande para que se inicie la activación con
retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el
dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
 Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de
este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones
puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede
dañar el dispositivo.

25. Funcionamiento básico
 El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente
electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar
pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin
tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar
grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse
también en el diodo Shockley.

26. Aplicaciones
 Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy
grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna
donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o
desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma
síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir
corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la
necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el
dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe
confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va
solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
 Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en
controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por
ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.

27. Aplicaciones
 La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la
tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un
enchufe, por ejemplo. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para
estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en
color.
 Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para
transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto
los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de
baja potencia en circuitos electrónicos.
 Otras
aplicaciones
comerciales
son
en
electrodomésticos
(iluminación, calentadores, control de temperatura, activación de
alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones
controladas tales como velocidad de motores, cargadores de
baterías), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores
de gas, pantallas electrónicas...)

28. Especificaciones de Dispositivos
semiconductores de Potencia
Tipo
Uso general
5000V/5000 A
1k
100
0.16m
3000V/1000 A
10k
2-5
1m
Schottky
40V /60 A
20k
0.23
10m
De bloqueo inverso
5000 V/5000 A
1k
200
0.25m
Alta velocidad
1200 V/1500 A
10k
20
0.47m
Bloqueo inverso
2500 V/400 A
5k
40
2.16m
Conducción inversa
2500 /1000 A
5k
40
2.1m
GATT
1200 V/ 400 A
20k
8
2.24m
Disparo lumínico
Tiristores
desactivados en
forma forzada
Alta frecuencia (Hz)
Alta velocidad
Diodos
Especificación de
voltaje/corriente
6000 V/1500 A
400
200-400
0.53m
1200V /300 A
400
200-400
3.57m
4500V /3000 A
4000V /2200 A
10k
20k
15
6.5
2.5m
5.75m
TRIAC
Tiristores
desactivados
GTO
SITH

29. Especificaciones de Dispositivos
semiconductores de Potencia
Tipo
Alta frecuencia (Hz)
Individual
400V /250 A
20k
9
4m
400V /40A
20k
6
31m
630V /50A
25k
1.7
15m
1200V/400A
10k
30
10m
1200V/300A
100k
0.55
1.2
500V/V8.6 A
100k
0.7
0.6
1000V /4.7 A
100k
0.9
2
500V /50A
Transistores de
Potencia
Especificación de
voltaje/corriente
100k
0.6
0.4m
Darlington
SIT
MOSFET de potencia
Individual
IGBT
Individual
1200 V/400A
20k
2.3
60m
MCT
Individual
600V/60A
20k
2.2
18m

30. Características y Símbolos
de algunos dispositivos de
potencia

31. Características de Control de los
dispositivos de potencia
 Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como
interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de
compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares).
 La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de
conducción de estos dispositivos de conmutación.
 En la siguiente figura se muestran los voltajes de salida y las características
de control de los dispositivos de interrupción de uso común.

32. Características de Control de los
dispositivos de potencia

33. Características de Control de los
dispositivos de potencia
 Una vez que un tiristor esta en modo de conducción, la señal de la
compuerta ya sea positiva o negativa no tiene efecto, esto se muestra en
la figura a.
 Cuando un dispositivo semiconductor de potencia esta en modo de
conducción normal, existe una pequeña caída de voltaje a través del
mismo. En las formas de onda de voltaje de salida, estas caídas se
consideran despreciables.

35. Los dispositivos semiconductores de
potencia se pueden clasificar
1. Activación y desactivación sin control (por ejemplo diodo)
2. Activación controlada y desactivación sin control (por ejemplo SCR)
3. Características de activación y desactivación controladas (por ejemplo
BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT)
4. Requisito de señal continua en la compuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT).
5. Requisito de pulso en compuerta (por ejemplo SCR, GTO. MCT)
6. Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO)
7. Capacidad de soportar voltajes unipolares (BJT, MOSFET, GTO. IGBT, MCT)
8. Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT)

36. Los dispositivos semiconductores de
potencia se pueden clasificar
9. Capacidad de corriente unidireccional (SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT,
SITH, SIT, diodo)

37. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Para el control de la potencia eléctrica o del acondicionamiento de la
misma, es necesario convertir la potencia de una forma u otra, las
características de interrupción de los dispositivos de potencia permiten dicha
conversión.
Los convertidores de potencia estáticos llevan a cabo estas funciones de
conversión de potencia. Un convertidor se puede considerar como una matriz
de conmutación.

38. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Los circuitos electrónicos de potencia se pueden clasificar en seis tipos:
1. Rectificadores de diodo
2. Convertidores ca-cd (rectificadores controlados)
3. Convertidores ca-cd (controladores de voltaje de ca)
4. Convertidores ca-cd (pulsadores de cd)
5. Convertidores cd-ca (inversores)
6. Interruptores estaticos

39. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Los dispositivos de los convertidores siguientes se utilizan únicamente para
ilustrar los principios básicos.
La acción de interrupción de un convertidor puede ser llevada a cabo por
más de un dispositivo.
La selección de un dispositivo en particular dependerá del voltaje, al
corriente y los requisitos de velocidad del convertidor.

40. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Rectificadores. Un circuito rectificador de diodos convierte el voltaje de ca en
un voltaje fijo de cd como se muestra en la figura. El voltaje de entrada al
rectificador puede ser monofásico o trifásico.

41. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Circuito rectificador monofásico

42. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia


43. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Convertidor monofásico ca-cd

44. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia


45. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Convertidor monofásico cd-cd

46. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia


47. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Convertidor monofásico cd-cd

48. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia


49. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Convertidor monofásico cd-ca

50. Tipos de circuitos electrónicos de
potencia
Interruptores estáticos. Dado que los dispositivos de potencia pueden ser
operados como interruptores estáticos o contactores, la alimentación a estos
interruptores puede ser de ca o de cd y se conocen como interruptores de ca
o interruptores de cd.

51. Diseños de un equipo de electrónica
de potencia
El diseño de un equipo de electrónica industrial se puede dividir en cuatro
partes:
1. Diseño de los circuitos de potencia
2. Protección de los dispositivos de potencia
3. Determinación de la estrategia de control
4. Diseño de los circuitos lógicos y de mando

52. Diseños de un equipo de electrónica
de potencia
Posteriormente describiremos y analizaremos varios tipos de circuitos
electrónicos de potencia.
En el análisis se supone que los dispositivos de potencia son interruptores
ideales, a menos que se indique lo contrario, despreciándose los efectos de la
inductancia de dispersión de circuitos, la resistencia del circuito y la
inductancia de la fuente.
Los dispositivos y circuitos de potencia prácticos difieren de estas condiciones
ideales quedando los diseños de los circuitos también afectados.
Sin embargo, en las primeras etapas del diseño, resulta muy útil el análisis
simplificado del circuito para comprender la operación del mismo y para
establecer las características y la estrategia de control.

53. Diseños de un equipo de electrónica
de potencia
Antes de elaborar un prototipo, el diseñador deberá investigar los efectos de
los parámetros del circuito (y las imperfecciones de los dispositivos)
modificando el diseño, si es necesario.
Sólo después de que se haya construido y probado el prototipo, el diseñador
podrá confiar en la validez del mismo y podrá estimar con más exactitud
algunos de los parámetros del circuito (por ejemplo la inductancia de
dispersión).

54. Efectos Periféricos
Las operaciones de los convertidores de potencia se basan principalmente
en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia; y como
resultado, los convertidores introducen armónicas de corriente y voltaje en el
sistema de alimentación y en la salida de los convertidores.
Esto puedo originar problemas de distorsión del voltaje de salida, generación
de armónicas en el sistema de alimentación e interferencia con circuitos de
comunicación y señalización.
Normalmente es necesario introducir filtros en la salida y en la entrada de un
sistema convertidor, para reducir a una magnitud aceptable el nivel de las
armónicas.

55. Efectos Periféricos
En la siguiente figura se muestra el diagrama de un bloque de un convertidor
de potencia generalizado.
Sistema convertidor de potencia generalizado

56. Efectos Periféricos
Las cantidades de entrada y salida de los convertidores pueden ser ca o cd.
Factores tales como la distorsión armónica total (THD), el factor de
desplazamiento (HF) y el factor de potencia de entrada (IPF) son medidas de
la calidad de una forma de onda. A fin de determinar estos factores, es
necesario encontrar el contenido armónico de las formas de onda.
Para evaluar el rendimiento de un convertidor, los voltajes/corrientes de
entrada y de salida de un convertidor se expresan en series de Fourier. La
calidad de un convertidor de potencia se juzga por la calidad de sus formas
de onda de voltaje y corriente.

57. Módulos de Potencia
Los dispositivos de potencia están disponibles como unidades individuales o
como módulos. A menudo un convertidor de potencia requiere de dos,
cuatro o seis dispositivos, dependiendo de su topología.
Los módulos de potencia con dual (en configuración de medio puente),
quad (en puente completo), o seis (trifásicos) están disponibles para
prácticamente todos los tipos de dispositivos de potencia.
Los módulos ofrecen las ventajas de menores perdidas en estado activo, altas
características de interrupción de voltaje y corriente y una velocidad más alta
que la de los dispositivos convencionales.
Algunos módulos incluyen circuitería para la protección de transistores y de la
excitación de compuerta.

58. Módulos Inteligentes
Los circuitos de excitación de compuerta están disponibles comercialmente
para excitar dispositivos individuales o módulos. Los módulos inteligentes, que
representan el caso más avanzado de la electrónica de potencia, integran el
modulo de potencia junto con el circuito periférico.
El circuito periférico está formado por un aislamiento de entrada/salida de
una interfaz con el sistema de la señal y el sistema de alto voltaje, un circuito
de excitación, un circuito de protección y de diagnostico (para evitar una
corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento y voltaje
excesivo), control por microcomputadora y una alimentación de energía de
control.
Los usuarios solo necesitan conectar las fuentes de alimentación externas
(flotantes).

59. Módulos Inteligentes
Los circuitos de excitación de compuerta están disponibles comercialmente
para excitar dispositivos individuales o módulos. Los módulos inteligentes, que
representan el caso más avanzado de la electrónica de potencia, integran el
modulo de potencia junto con el circuito periférico.
El circuito periférico está formado por un aislamiento de entrada/salida de
una interfaz con el sistema de la señal y el sistema de alto voltaje, un circuito
de excitación, un circuito de protección y de diagnostico (para evitar una
corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento y voltaje
excesivo), control por microcomputadora y una alimentación de energía de
control.
Los usuarios solo necesitan conectar las fuentes de alimentación externas
(flotantes).

60. Módulos Inteligentes
Un modelo inteligente también se conoce como potencia inteligente. Estos
módulos se utilizan cada vez más en la electrónica de potencia o industrial.