1. El documento trata sobre los dispositivos semiconductores de potencia, incluyendo su historia, clasificación y aplicaciones.
2. Se describen diferentes tipos de tiristores como SCR, TRIAC y sus métodos de activación y desactivación.
3. También se explican otros dispositivos como diodos, transistores y sus usos en convertidores electrónicos de potencia para aplicaciones como fuentes de alimentación, control de motores y calentamiento por inducción.
Presentamos un extenso resumen de los tres tomos que en su día fueron publicados dentro de la colección de Apuntes 1995/1996, de la Universidad de Jaén, cuyos títulos fueron “Electrónica de Potencia: Convertidores DC-DC”, “Electrónica de Potencia: Convertidores DC-AC”, “Electrónica de Potencia: Convertidores AC -DC”, realizados en colaboración con alumnos de Ingeniería Técnica, como motivo de su trabajo fin de carrera. Se pretendía en su día cubrir las necesidades docentes de una materia tan importante como los Convertidores Estáticos dentro de la Electrónica de Potencia, en su día asignatura troncal del plan de estudios de Ingeniería Técnica y en la actualidad materia troncal en el Grado de Ingeniería Electrónica Industrial.
Presentamos un extenso resumen de los tres tomos que en su día fueron publicados dentro de la colección de Apuntes 1995/1996, de la Universidad de Jaén, cuyos títulos fueron “Electrónica de Potencia: Convertidores DC-DC”, “Electrónica de Potencia: Convertidores DC-AC”, “Electrónica de Potencia: Convertidores AC -DC”, realizados en colaboración con alumnos de Ingeniería Técnica, como motivo de su trabajo fin de carrera. Se pretendía en su día cubrir las necesidades docentes de una materia tan importante como los Convertidores Estáticos dentro de la Electrónica de Potencia, en su día asignatura troncal del plan de estudios de Ingeniería Técnica y en la actualidad materia troncal en el Grado de Ingeniería Electrónica Industrial.
• Interpretar los fundamentos científicos y tecnológicos de las máquinas eléctricas de corriente continua.
• Analizar los balances de potencias, ecuación general del par de rotación.
• Analizar el proceso de arranque de los motores de corriente continua y los diversos métodos existentes para lograrlo.
• Seleccionar, según criterios establecidos, las máquinas de corriente continua para aplicaciones específicas.
Corriente de excitación o vacio, Corriente de conexión o energización, Transformadores trifásicos, Armónicos en las corrientes de excitación, Conexiones de los transformadores trifásicos, Transformadores en paralelo, Autotransformadores
• Los elementos de mando de las instalaciones automatizadas.
• En qué consisten las señalizaciones.
• Diferentes tipos de interruptores de control.
• Detectores.
• Relés. Tipos y su funcionamiento.
• Protecciones de las instalaciones automatizadas.
TIRISTOR.
El tiristor es una familia de componentes electrónicos 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 (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
Para los SCR el dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto, se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está a la unión J2 (unión NP).
DIODO VOLANTE.
Se les llama así a los diodos que se ponen en paralelo con cargas reactivas; bobinas ocondensadores permitiendo que estos puedan entregar energía almacenada sin afectar al circuito de interés o a ellos mismos.
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RL
Digamos que este tipo de rectificación es el caso real, frente al caso ideal que sería con una carga resistiva pura. Esto es así ya que las cargas industriales suelen contener una cierta inductancia, además de la resistencia propiamente dicha.
A continuación procedemos a la explicación teórica de este tipo de rectificación.
La ecuación de la ley de Kirchhoff para tensiones que describe la corriente en el circuito para el diodo ideal, polarizado en directa sería:
Como podemos ver, la tensión del generador es igual a la tensión que cae en la resistencia mas la tensión que cae en la bobina.
La solución puede obtenerse expresando la corriente como la suma de la respuesta forzada y natural.
La respuesta forzada será la corriente que hay después de que que la respuesta natural se convierta en nula. En este caso será la corriente sinusoidal de régimen permanente que habría en el circuito si consideraríamos el diodo como cortocircuito, esto es:
OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON TRANSISTOR UJT
El oscilador de relajación con transistor UJT sirve para generar señales para dispositivos de control de potencia como Tiristores o TRIACs
• Interpretar los fundamentos científicos y tecnológicos de las máquinas eléctricas de corriente continua.
• Analizar los balances de potencias, ecuación general del par de rotación.
• Analizar el proceso de arranque de los motores de corriente continua y los diversos métodos existentes para lograrlo.
• Seleccionar, según criterios establecidos, las máquinas de corriente continua para aplicaciones específicas.
Corriente de excitación o vacio, Corriente de conexión o energización, Transformadores trifásicos, Armónicos en las corrientes de excitación, Conexiones de los transformadores trifásicos, Transformadores en paralelo, Autotransformadores
• Los elementos de mando de las instalaciones automatizadas.
• En qué consisten las señalizaciones.
• Diferentes tipos de interruptores de control.
• Detectores.
• Relés. Tipos y su funcionamiento.
• Protecciones de las instalaciones automatizadas.
TIRISTOR.
El tiristor es una familia de componentes electrónicos 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 (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
Para los SCR el dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto, se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está a la unión J2 (unión NP).
DIODO VOLANTE.
Se les llama así a los diodos que se ponen en paralelo con cargas reactivas; bobinas ocondensadores permitiendo que estos puedan entregar energía almacenada sin afectar al circuito de interés o a ellos mismos.
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON CARGA RL
Digamos que este tipo de rectificación es el caso real, frente al caso ideal que sería con una carga resistiva pura. Esto es así ya que las cargas industriales suelen contener una cierta inductancia, además de la resistencia propiamente dicha.
A continuación procedemos a la explicación teórica de este tipo de rectificación.
La ecuación de la ley de Kirchhoff para tensiones que describe la corriente en el circuito para el diodo ideal, polarizado en directa sería:
Como podemos ver, la tensión del generador es igual a la tensión que cae en la resistencia mas la tensión que cae en la bobina.
La solución puede obtenerse expresando la corriente como la suma de la respuesta forzada y natural.
La respuesta forzada será la corriente que hay después de que que la respuesta natural se convierta en nula. En este caso será la corriente sinusoidal de régimen permanente que habría en el circuito si consideraríamos el diodo como cortocircuito, esto es:
OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON TRANSISTOR UJT
El oscilador de relajación con transistor UJT sirve para generar señales para dispositivos de control de potencia como Tiristores o TRIACs
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1.
2. 1. Antecedentes de la electrónica de potencia.
2. Terminología y principios de operación de la familia de los tiristores de potencia.
3. Clasificación y características tensión contra corriente de los tiristores de potencia.
4. Métodos de activación del tiristor SCR.
5. Métodos de desactivación del tiristor SCR.
6. Métodos de activación del tiristor TRIAC.
7. Métodos de desactivación del tiristor TRIAC.
1. Características de Tensión Contra Corriente delos tiristores de baja potencia (UJT,
PUT, SUS, SBC, DIAC).
2. Circuitos de disparo con aislamiento y acoplamiento óptico y magnético.
3. Circuitos de disparo con dispositivos digitales.
3. 1. Control de fase monofásico de media onda (análisis y diseño).
2. Control de fase monofásico de onda completa (análisis y diseño).
1. Rectificación polifásica no controlada.
2. Rectificación trifásica semi-controlada.
3. Rectificación trifásica controlada.
1. Regulador cargador de baterías.
2. Switch táctil o detector de
proximidad.
3. Sistema de iluminación de
emergencia de una sola fuente.
4. Flasher de corriente alterna.
5. Sensor de luz Y sensor de ausencia de luz.
6. Control de fase de onda completa.
7. Intermitente secuencial.
8. Control de velocidad para motores universales
activado con switch unilateral de silicón.
4. 1. Características y principios de operación de operación.
2. Clasificación por modulación y operación de cuadrantes, configuración y modulador de
ancho de pulso.
3. Modulador de ancho de pulso.
4. Control de motores de CD.
5. Fuentes conmutadas.
1. Principios de operación de un inversor.
2. Inversor monofásico de medio puente.
3. Inversor monofásico de puente completo.
4. Parámetros de rendimiento.
5. Inversor trifásico.
5. 1. Principios del control abrir y cerrar.
2. Principio del control de fase.
3. Ciclo convertidor monofásico y trifásico.
8. Con la aparición del transistor en 1948 empieza la era de los semiconductores,
que en muy pocos años revoluciona completamente todos los dominios de la
electrónica. Los minúsculos dispositivos a base de germanio, silicio y arseniuro
de galio, no solo reemplazan con ventaja a las válvulas y tubos de vacío o de
gas, sino que además vienen a abrir nuevas aplicaciones a nuestra técnica.
El tiristor obtenido en los Estados Unidos por la firma General Electric hacia
1957, abordó el mercado europeo hacia 1959-1960. Su nombre se incluye
entre los de esos nuevos componentes que han revolucionado el desarrollo de
la electrónica desde que en 1948 se encontró ese elemento extraordinario
llamado transistor.
9. 1902 Patente del Rectificador de Vapor de Mercurio (P. Cooper-Hewitt)
1904 Diodo Termoiónico (J.A. Fleming)
1907 Triodo (Lee de Forest)
1911 Mutador: Rectificadores de Cátodo de Hg y Cubeta Metálica (Harfrnann & Braun, B Schãfer).
1912 Amplificador Magnético (GE, E. F. W. Alexanderson)
1922 Principio de Cicloconvertidor (Meyer-Hazeltine)
1924 Principio de Chopper (Burnstein)
1926 Tiratrón (I. Langmuir-Hull)
1948 Transistor de Punta de Contacto (Bell Labs, J. Bardeen – W.H. Brattain - W. Schockley)
1951 Transistor de Union (W. Schockley)
1957 Rectificador Controlado de Silicio (Bell Labs)
1958 Tiristor (GE)
1960 GTO: Gate Turn-Off Tiristor (GE, H. Ligten - D. Navon)
1964 TRIAC (GE, Gentry et al)
1969 CI MOS
1983 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor (B.J, Baliga)
10. Se llama tiratrón a un tipo de válvula termoiónica, generalmente
con configuración de triodo, cuyo interior se encuentra relleno de
gas. Se utiliza para el control de grandes potencias y corrientes,
lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número
limitado de electrones que puede producir un cátodo
termoiónico. Añadiendo un gas inerte que se ioniza, inicialmente
por medio de los electrones termoiónicos, se tiene un número
mucho mayor de portadores de corriente que en el triodo.
A diferencia del triodo, la corriente de ánodo no es proporcional a la tensión
de rejilla, sino que cuando se dispara, se produce la ionización del gas que
lleva al dispositivo a su resistencia mínima. El primer tiratrón comercial
apareció hacia 1928.
11. Una válvula de vapor de mercurio o de vapor de
mercurio o rectificador de arco de mercurio es
un tipo de rectificador eléctrico usado para la
conversión de alta tensión o de alta corriente de
CA en CD. Se trata de un tipo de tubo de
descarga de gas de cátodo frío, pero es inusual
en que el cátodo, en lugar de ser sólido, está
hecho de mercurio líquido y por lo tanto es de
auto-restauración. Como resultado, las válvulas
de arco de mercurio eran mucho más robusta,
de larga duración y podrían llevar a corrientes
mucho más altos que la mayoría de los otros
tipos de tubo de descarga de gas.
12. Son chapas de aluminio recubiertas de Selenio que
hacían de diodo. Se usaron mucho en todas las
aplicaciones donde se debía rectificar.
Primero en los albores del siglo 20 se hacían de cobre
y se oxidaba superficialmente, con lo que se convertía
en rectificador. Alguno de los viejos aficionados habrá
luchado con las interferencias de audio en las radios
causadas por las uniones retorcidas de los cables de
cobre de las instalaciones domiciliarias. Pues bien, al
oxidarse, se transformaban en diodos y rectificaban
las ondas de radio que por la línea se introducían en
las radios que tenían alta impedancia en los circuitos
de sintonía.
13. El transistor es un dispositivo semiconductor de tres
capas que consta de dos capas de material tipo n y una
de material tipo p o bien dos capas de material tipo p y
una de material tipo n. El primero se llama transistor npn
y el segundo transistor pnp. Este dispositivo electrónico
semiconductor utilizado para entregar una señal de
salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o
rectificador. El término “transistor” es la contracción en
inglés de transfer resistor (resistor de transferencia).
Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de
uso diario tales como radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes
de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos
celulares, aunque casi siempre dentro de los llamados circuitos integrados.
14. 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.
15. 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.
16. Diodo
1
8
TRIAC, RCT
SCR
2
GTO
6
SITH
MCT
BJT,
MOSFET,
IGBT
SIT
3
4
5
7
9
1. Activación y desactivación sin control
2. Activación controlada y desactivación
sin control
3. Activación y desactivación
controladas
4. Requisito de señal continua en la
compuerta
5. Requisito de pulso en la compuerta
6. Capacidad de soportar voltajes
bipolares
7. Capacidad de soportar voltajes
unipolares
8. Capacidad de corriente bidireccional
9. Capacidad de corriente uniidireccional
20. 1. Región de bloqueo de directa
(Estado off).
2. Punto de amarre (Latch,
punto de ruptura de directa).
3. Región de resistencia negativa.
4. Punto de mantenimiento o
sostenimiento (Hold).
5. Región de trabajo (Estado on).
6. Región de bloqueo de inversa
(Estado off).
7. Punto de ruptura de inversa.
8. Región de avalancha.
𝟏
𝟐
𝟑
𝟒
𝟓
𝟔
𝟕
𝟖
𝑰𝑨
𝑽𝑨𝑲 +
𝑽𝑨𝑲 −
21. Aplicacndo grandes voltajes de directa.
Aplicando pulso en la compuerta.
Luz “LASCR”.
𝑑𝑣
𝑑𝑡
(No deseado).
Calor (No deseado).
28. 1. Región de bloqueo de directa (Estado off).
2. Voltaje de ruptura de directa.
3. Región de resistencia negativa.
4. Punto de mantenimiento de directa.
5. Región de trabajo de directa (Estado on).
6. Región de bloqueo de inversa (Estado off).
7. Punto de ruptura de inversa.
8. Región de resistencia negativa.
9. Punto de mantenimiento de inversa.
10. Región de trabajo de inversa (Estado on).
𝟏
𝟐
𝟑
𝟒
𝟓
𝟔
𝟕 𝟖
𝑰𝑨
𝑽𝑻𝟐𝑻𝟏
+
𝟗
𝟏𝟎
𝑽𝑻𝟐𝑻𝟏
−
33. UJT
𝑽𝑷 Voltaje de pico
𝑰𝑷 Corriente de pico
𝑽𝑽 Voltaje de valle
𝑰𝑽 Corriente de valle
𝑹𝑹𝑵 Región de resistencia negativa
𝜼 Razón Intrínseca de apagado
𝑽𝑽
𝑽𝑷
𝑰𝑷 𝑰𝑽
𝑽𝑬
𝑰𝑬
𝑹𝑹𝑵
36. 𝑇1
𝑇2
𝑲 −
𝑮𝑨
𝑨 +
𝑲 −
𝑨 +
𝑨 +
𝑲 −
𝑮𝑨
A = Ánodo
K = Cátodo
G = Compuerta
𝑮𝑨
37. PUT
𝑽𝑷 Voltaje de pico
𝑰𝑷 Corriente de pico
𝑽𝑽 Voltaje de valle
𝑰𝑽 Corriente de valle
𝑹𝑹𝑵 Región de resistencia negativa
𝜼 Razón Intrínseca de apagado
𝑽𝑽
𝑽𝑷
𝑰𝑷 𝑰𝑽
𝑹𝑹𝑵
𝑽𝑬
𝑰𝑬
50. En la siguiente diapositiva se ilustra un medio de bajo coste para utilizar el SCR como regulador cargador
de baterías, eliminando así los problemas inherentes en relés de tensión electromecánicos (contacto
pegado, quemado, desgaste, etc). Tal como se muestra el circuito es capaz de cargar una batería de 12 V
hasta un rango de 6 A. Cuando el voltaje de la batería alcanza completamente su nivel de carga, el SCR
de carga se apaga y una muy pequeña carga determinada por el valor de 𝑅1 y 𝑅2 continúa fluyendo. 𝐷1 y
𝐷2 suministran corriente directa (rectificado de onda completa) a 𝑆𝐶𝑅1 en serie con la batería a cargar. Con
un voltaje de la batería bajo, 𝑆𝐶𝑅1 es activado cada semiciclo a través de la resistencia 𝑅6 y el diodo 𝐷4.
Bajo estas condiciones el voltaje recolectado 𝑉𝑅 en el cursor del potenciómetro 𝑅4 es menor que la tensión
de ruptura del diodo Zener 𝐷𝑍 y el 𝑆𝐶𝑅2 no se puede disparar.
Cuando la batería se acerca a la carga completa, su voltaje de terminal aumenta, la magnitud de 𝑉𝑅 es
igual a 𝑉𝑍 (más la tensión de puerta requerida para activar 𝑆𝐶𝑅2), y 𝑆𝐶𝑅2 se comienza a activar cada
semiciclo. Al principio 𝑆𝐶𝑅2 dispara a 𝜋 2 radianes (90°) después del inicio de cada semiciclo, coincidiendo
con el voltaje máximo de suministro, la corriente de carga máxima y el voltaje máximo de la batería. A
medida que el voltaje de la batería aumenta aún más mientras que la carga continúa, el ángulo de disparo
de 𝑆𝐶𝑅2 avanza cada semiciclo hasta que eventualmente 𝑆𝐶𝑅2 se dispara antes de que la onda sinusoidal
de entrada tenga suficiente magnitud para activar 𝑆𝐶𝑅1. Con 𝑆𝐶𝑅2 en primer lugar en un semiciclo, la
acción del divisor de voltaje de 𝑅6 y 𝑅7 mantiene a 𝐷4 en polarización inversa, y 𝑆𝐶𝑅1 es incapaz de
dispararse, así la sobrecarga cesa. El diodo 𝐷3 y las resistencias 𝑅1 y 𝑅2 pueden añadirse, si se desea,
para cargar mínimamente la batería durante los periodos normales de "apagado". La sobrecarga se
reiniciará automáticamente cuando 𝑉𝑅 caiga por debajo de 𝑉𝑍 y 𝑆𝐶𝑅2 deje de activarse cada ciclo.
52. El circuito mostrado en la siguiente diapositiva es accionado por un aumento en la capacitancia
entre un electrodo de detección y el lado de tierra de la línea. La sensibilidad se puede ajustar
para cambiar cuando un cuerpo humano está a unas pulgadas de la placa aislada utilizada
como electrodo de detección. Así, este circuito se puede utilizar como un interruptor táctil
aislado eléctricamente, o como un detector de proximidad en circuitos de alarma.
El PUT 2N6027, se pondrá en "ON" cuando el voltaje del ánodo supere al voltaje de la
compuerta en una cantidad conocida como voltaje de disparo (aproximadamente 0,5 V). Esta
tensión del ánodo se sujeta a la tensión "ON" del diac. A medida que la capacitancia entre el
electrodo de detección y la tierra aumenta (debido a un cuerpo que se aproxima), el ángulo de
desfase entre las tensiones de ánodo y puerta del PUT aumenta hasta que el diferencial de
tensión en algún momento es lo suficientemente grande para disparar este PUT. Debido a que
el voltaje del ánodo está sujeto, es más grande sólo al principio del ciclo; Por lo tanto, la
conmutación debe ocurrir a inicio del ciclo.
La sensibilidad se ajusta con el potenciómetro de 1 𝑀Ω que determina el nivel de voltaje del
ánodo antes de la sujeción. Esta sensibilidad será proporcional al área de las superficies que
se oponen entre sí.
54. El circuito mostrado en la siguiente diapositiva muestra un sistema de
iluminación de emergencia que mantiene una batería de 6 V a plena carga y
conmuta automáticamente desde el suministro de corriente alterna a la batería.
El transformador y los diodos 𝐷1 y 𝐷2 suministran voltaje CD para la lámpara
de 6 V. El 𝑆𝐶𝑅 y 𝑅1 suministran corriente de carga a la batería, que se puede
variar con 𝑅1. El ánodo y la compuerta del 𝑆𝐶𝑅 se mantienen al voltaje de la
batería, mientras que el cátodo del 𝑆𝐶𝑅 se mantiene a un potencial más alto
que el de 𝐶. Si el voltaje en el cátodo del 𝑆𝐶𝑅 cae por debajo del voltaje de la
batería debido a la interrupción de la entrada de corriente alterna, el 𝑆𝐶𝑅 se
disparará y suministrará a la lámpara con energía de la batería. Cuando vuelva
a aparecer la corriente alterna, el 𝑆𝐶𝑅 se apagará automáticamente y la batería
se volverá a cargar.
56. Para requerimientos muy altos de la carga, los circuitos intermitentes de corriente
directa tienen la desventaja de requerir un condensador de conmutación muy grande.
En tales aplicaciones, el uso de circuitos intermitentes de AC termina siendo más
económico. El circuito de la siguiente diapositiva ilustra un circuito flip-flop intermitente
de potencia que puede manejar dos cargas independientes de hasta 2.5 KW cada una.
El transformador, los diodos rectificadores, la resistencia 𝑅1 y el capacitor 𝐶1
proporcionan el suministro de corriente continua al oscilador monounión de
funcionamiento libre y a los transistores T1 y T2 del flip-flop. El voltaje de interbase para
el UJT se toma directamente desde el lado positivo del rectificador por puente de diodos
para sincronizar el oscilador monounión de funcionamiento libre con la frecuencia de la
alimentación. Los impulsos de salida negativos desarrollados a través de 𝑅4 activan los
transistores del flip-flop que alternadamente activan y desactivan los TRIAC. La
velocidad de parpadeo se determina por la constante de tiempo de 𝑅2, 𝑅3 y 𝐶2.
𝑻𝑹𝑰𝑨𝑪𝟏, 𝑻𝑹𝑰𝑨𝑪𝟐: 𝑴𝑨𝑪𝟏𝟓𝑨𝟖𝑮
𝑫𝟏, 𝑫𝟐, 𝑫𝟑, 𝑫𝟒: 𝟏𝑵𝟓𝟒𝟎𝟕
𝑫𝟓, 𝑫𝟔: 𝟏𝑵𝟓𝟑𝟗𝟗
𝑼𝑱𝑻: 𝟐𝑵𝟐𝟔𝟒𝟔
𝑻𝟏, 𝑻𝟐: 𝟐𝑺𝑨𝟏𝟎𝟏
𝑪𝟏: 𝟓𝟎𝟎 𝝁𝑭 𝟐𝟓𝑽
𝑪𝟐: 𝟎. 𝟐 𝝁𝑭
𝑪𝟑, 𝑪𝟒: 𝟎. 𝟎𝟓 𝝁𝑭
𝑹𝟐: 𝟐 𝑴𝛀
𝑹𝟑: 𝟏 𝑴𝛀
𝑹𝟒: 𝟏𝟎𝟎 𝛀
𝑹𝟓, 𝑹𝟔: 𝟑𝟑 𝛀
𝑹𝟕, 𝑹𝟖, 𝑹𝟗: 𝟓𝟔𝟎 𝛀
𝑹𝟏𝟎, 𝑹𝟏𝟏, 𝑹𝟏𝟐, 𝑹𝟏𝟑: 𝟏𝟎 𝒌𝛀
Todas las
resistencias a 10 W.
58. Un fototransistor y un transistor monojuntura en
combinación permiten detectar niveles mucho más bajos de
luz. Para el primer circuito de la siguiente diapositiva,
cuando el fototransistor tiene luz incidente sobre ella, el
transistor monojuntura oscilará como un oscilador de
relajación. Puesto que su frecuencia es considerablemente
más alta que 60 Hz, el 𝑆𝐶𝑅 se enciende a inicios de la mitad
positiva de cada ciclo. El segundo circuito de la siguiente
diapositiva energiza la carga cuando se retira la luz del
fototransistor. En este circuito, cuando el fototransistor está
en la oscuridad, el transistor monojuntura funciona como un
oscilador de relajación y energiza la carga en los semiciclos
positivos.
59. 20 𝑽
−
+ 𝟏𝟐𝟎 𝒗𝒂𝒄
𝟔𝟎 𝑯𝒛
𝟓 𝑴𝛀 𝟐𝟐 𝒏𝑭
𝟑𝟑 𝒌𝛀
𝟐𝟐𝟎 𝛀
𝟐𝟐 𝛀
𝑪𝟏𝟎𝟔𝑫𝑮
𝑷𝑻𝟏𝟑𝟎𝟎
𝟐𝑵𝟐𝟔𝟒𝟔
20 𝑽
−
+ 𝟏𝟐𝟎 𝒗𝒂𝒄
𝟔𝟎 𝑯𝒛
𝟏𝟎𝟎 𝒌𝛀
𝟐𝟐 𝒏𝑭
𝟐𝟐𝟎 𝛀
𝟐𝟐 𝛀
𝑪𝟏𝟎𝟔𝑫𝑮
𝟐𝑵𝟐𝟔𝟒𝟔
𝑷𝑻𝟏𝟑𝟎𝟎
Detector De Presencia De Luz Detector De Ausencia De Luz
Todas las
resistencias a 1 W.
60. La forma más elemental de control de fase de onda completa es el simple circuito
DIAC/TRIAC de la siguiente diapositiva. La forma de onda del voltaje del
condensador, 𝑉𝐶, es bastante similar al caso de media onda, con la excepción
principal de que el voltaje residual del condensador, 𝑉
𝑜, al comienzo de cada
semiciclo es opuesta en polaridad al siguiente voltaje de conmutación, 𝑉𝑆, que
debe ser alcanzado. Si la resistencia 𝑅1 se incrementa ligeramente, al comienzo
de este ciclo, 𝑉
𝑜 es el mismo que el estado estacionario puesto que el DIAC había
conmutado en el semiciclo precedente. Al final del primer semiciclo, sin embargo,
el voltaje del condensador está justo por debajo de Vs, y el DIAC permanece
inactivo. Esto cambia 𝑉
𝑜 a +𝑉𝑆 al comienzo del segundo semiciclo. Por lo tanto, el
voltaje máximo del condensador en el semiciclo negativo está considerablemente
por debajo de 𝑉𝑆. En todos los ciclos posteriores 𝑉
𝑜 = 𝑉𝐶𝑝
y el valor de pico de 𝑉𝐶
permanecerá por debajo de 𝑉𝑆 hasta que el valor de 𝑅1 se reduzca.
Así, el ramal derecho es este supresor
𝑑𝑣
𝑑𝑖
requerido.
61. 120 𝑣𝑎𝑐
60 𝐻𝑧
𝑴
𝑪𝟏
𝑹𝟏
𝟐𝟓𝟎 𝛀
𝟎. 𝟏 𝝁𝑭
𝑻𝑹𝑰𝑨𝑪
𝑫𝑰𝑨𝑪
𝑵𝑻𝑬𝟔𝟒𝟎𝟕
𝑪𝟐
𝟎. 𝟏 𝝁𝑭
𝑹𝟐
𝟏𝟎𝟎 𝛀
𝑴𝑨𝑪𝟏𝟓𝑨𝟖𝑮
Motor Universal
(Onda Completa)
Todas las
resistencias a 1 W.
62. En el circuito de la siguiente diapositiva se muestra un
intermitente secuencial tal como se utiliza en las señales de
cambio automotrices.
Cuando el interruptor de señal de giro 𝑆 está cerrado, la lámpara
𝐿1 se activará y el condensador 𝐶1 se cargará al voltaje de
disparo de 𝑃𝑈𝑇1. Tan pronto como el voltaje del ánodo del 𝑃𝑈𝑇1
supere su voltaje de puerta en 0.5 V, 𝑃𝑈𝑇1 cambiará al modo de
baja resistencia, activando de este modo el 𝑆𝐶𝑅1 para activar la
lámpara 𝐿2 y el segundo circuito de temporización. Después de
que 𝑃𝑈𝑇2 cambie al estado de baja resistencia, el 𝑆𝐶𝑅2, se
activará para activar la lámpara 𝐿3.
Cuando el intermitente mecánico interrumpe la corriente a las
tres lámparas, 𝑆𝐶𝑅1 y 𝑆𝐶𝑅2 se conmutan y el circuito está listo
para otro ciclo.
64. El siguiente circuito opera de la siguiente forma. Al empezar el semiciclo
positivo, la magnitud del voltaje aumenta con el paso del tiempo, al alcanzar
el voltaje del Zener (22v) ajusta el voltaje de entrada de la línea a dichos
22V. Durante esta primera parte el capacitor C es cargado a un voltaje
determinando por los divisores de R4 y R5. Al mismo tiempo el C2 es
cargado también.
Cuando el voltaje de C2 alcanza la f.e.m. y el voltaje del D3, el diodo se
cierra y deja pasar la corriente y el motor empieza a girar. Cuando el voltaje
del C1 excede el voltaje de compuerta del PUT, el PUT se cierra y el SCR se
activa, transfiriéndole la carga del C1 al SCR a través el transformador de
pulso T1. Esto alterará la velocidad del motor.
65.
66.
67. El control de fase es un circuito construido a base de
tiristores que controlan la potencia en la carga al ser
disparados sincrónicamente por un generador de pulsos a
tiempo determinado.
La corriente que circula por la carga depende del ángulo de
disparo del tiristor. La conmutación del dispositivo se de
forma natural (al invertirse la señal de alimentación).
Este método de control de potencia es muy eficaz; sin
embargo, el número de armónicos aumenta en algunas
aplicaciones por lo que habrá que filtrarlas. Es muy utilizado
en el control de motores de corriente directa y universales,
en el control de iluminación, de temperatura, etc.
68. 𝑡
𝑡
𝑡
∡𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑜 = 0° ⇒ ∡𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 180°
𝑉𝑃𝑟𝑜𝑚 =
1
𝑇 0
𝑇
𝑓 𝑡 𝑑𝑡
Para un rectificador monofásico
𝑉𝑃𝑟𝑜𝑚 = 0.318𝑉
𝑚 = 0.318 170 𝑉
𝑉𝑃𝑟𝑜𝑚 = 54𝑉𝐷𝐶
−
+
𝟏𝟐𝟎 𝒗𝒂𝒄
𝑣𝐿
𝑣𝑇
𝑣𝑒
a) Control De Fase De Media
Onda Para Carga De CD
Si
∡𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑟𝑜 = 180° ⇒ ∡𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 0°
𝑉𝑃𝑟𝑜𝑚 = 0 𝑉𝐷𝐶
45°
𝜋
4
180°
𝜋
𝜋
360°
2𝜋
2𝜋
0
0
0 𝜋
4
𝑨
𝑲
𝑮
69. b) Control De Fase De Media Onda
para carga de CA
𝑡
𝑡
𝑡
−
+
𝟏𝟐𝟎 𝒗𝒂𝒄
𝑣𝐿
𝑣𝑇
𝑣𝑒
180°
𝜋
𝜋
360°
2𝜋
2𝜋
90°
𝜋
2
𝜋
2
0
0
0
𝑨
𝑲
𝑮
𝑫
86. El disparo de tiristores se hace en casi la totalidad de los casos mediante pulsos
angostos, anchos o ráfagas de pulsos angostos, actualmente existen circuitos
integrados para lograr dichos pulsos.
Para circuitos trifásicos será necesario que las tres fases estén equilibradas, para que
las cargas en los tiristores resulten correctamente repartidas, dado que en altas
potencias, las tolerancias en los mismos es baja por una cuestión de costo, y un
desequilibrio podría significar que la fase sobrecargada tenga sus tiristores fuera de
rango permitido, por el manual del fabricante. Para el caso de control trifásico los
pulsos que controlan cada fase deben tener un desfasaje de 120° entre sí. Una forma
segura de lograr el desfasaje de 120° es tomar a cada fase como referencia, asi de
este modo tendremos como referencias las tres fases pero como control una sola señal
de tensión que provendrá del circuito de control.
87. El circuito que usamos es el TCA-785. La alimentación es
entre los pines 1 y 16.
El pin 5 es para la sincronización con la línea de alterna y
va conectada a esta a través de una resistencia. Entre pin
5 y tierra se colocan 2 diodos en conexión antiparalelo
para limitar la tensión a 0.6V aproximadamente. El cabio
de tensión entre -0.6V y +0.6V nos dará el cruce “cero” de
la onda de alterna. El método usado para lograr el
desfasaje PHI es comparando una tensión continua que
será nuestra tensión de control (pin 11) con una diente de
sierra sincronizada con la línea y cuyo periodo es igual a
un semiciclo de la onda de alterna. Esta rampa esta
generada por una fuente de corriente que alimenta un
capacitor externo (pin 10) y dicha fuente es controlada por
una resistencia externa (pin 9).
88. Cuando se produce el cruce de la tensión (pin 11) con la rampa el comparador
envía una señal al circuito lógico del C.I. y este produce un pulso de salida. Cuando
termina el semiciclo, el condensador es descargado a través de un transistor interno
en un tiempo de aproximadamente 25μ (0.5% del semiciclo aproximadamente). El
condensador pin 12) determina el ancho de pulso que emite el circuito lógico. El
valor lo da una formula suministrada por el fabricante. Si esta condición no se
coloca, el pulso tiene un valor determinado por el fabricante. Si el pin 12 se conecta
a tierra hace que el pulso dure todo el semiciclo. Ancho = 180°-φ
97. Es el proceso de convertir estáticamente la corriente alterna directa a alta o a
baja tensión y a alta o a baja intensidad de corriente. Esto es debido a que en
gran parte la energía eléctrica es utilizada en forma de corriente continua.
Tiristores.
Diodos y tiristores.
Diodos.
98. Es el encargado de suministrar las tensiones con su adecuado desfasamiento.
Generalmente implementado con dispositivos semiconductores, caracterizados
por su no linealidad, como los diodos y los tiristores.
Tiene referencia a tierra, solo es posible conexión de devanados a
punto neutro, utilizan igual numero de diodos al numero de fases, la
tensión rectificada es siempre la de fase, no duplican la frecuencia.
No requiere referencia, se pueden conectar en estrella (punto
neutro) o polígono sus devanados, duplica el número de diodos por
fase, puede utilizar la tensión de línea o fase, duplica la frecuencia
en ciertas configuraciones.
99. La reducción polifásica suministra una onda de salida con un factor de
forma que se acerca a la unidad cuanto mayor sea el numero de fases por lo
tanto, tenemos la ventaja de eliminar el empleo de filtros a la salida.
En sistemas de rectificados Se coloca un filtro para reducir el factor de rizado, en
sistemas rectificadores de alta potencia se opta por sistemas polifásico debido a su
menor ondulación de salida y elevado rendimiento
En la mayoría de las aplicaciones regulación de velocidad de motores se
requiere una tensión de salida variable aquí se utilizan los rectificadores.
Nos sirve para la reducción del factor de ondulación de la tensión rectificada.
100. 1.- De la naturaleza y necesidades de la carga.
2.- De la potencia requerida.
3.- De las especificaciones de los dispositivos rectificadores.
4.- De su protección requerida.
5.- Rendimiento.
6.- Costo.
A) Instalaciones electroquímicas.
B) Tracción eléctrica.
C) Regulación de velocidad de motores de CC.
D) Equipos de soldadura.
E) Equipos de calentamiento inductivo y capacitivo.
F) Equipo para cargar baterías, etc.
En lo que respecta a la carga esta será normalmente resistiva o bien resistiva-inductiva
y en raras ocasiones capacitiva (equipos de soladura).
106. A. Rectificadores de media onda: Emplean un número de diodos igual al número
de fases, de tal manera que en cada instante solo conduce un diodo y la
corriente en cada secundario del transformador es alterna. El ángulo de
conducción de cada diodo es
2𝜋
𝑚
.
B. Rectificadores de onda completa: Utilizan un número de diodos igual al doble
del número de fases. En cada instante conducen 2 diodos, la corriente en cada
secundario del transformador es alterna. El ángulo de conducción de cada
diodo es de
2𝜋
𝑚
si 𝑚 ≠ 1.
*Rectificadores de media onda monofásica: Es un circuito de bajo costo, alto
factor de ondulación, (se requiere de filtro, bajo voltaje promedio de salida y mala
utilización del transformador).
108. D. Rectificador bifásico de media onda: Utiliza
una transformación con Tap central que
proporciona dos fases en oposición. Presenta
un factor de ondulación elevado, un aceptable
voltaje promedio de salida, utilización media
del transformador y una elevada tensión
inversa de pico aplicado a los diodos.
𝑣
𝑡
180° 360°
𝒗𝟏 𝒗𝟐
𝑣𝑜
𝑡
𝜋 2𝜋
𝑉
𝑚
𝒗𝟏 𝒗𝟐
𝑇 = 𝜋
−𝑉
𝑚
𝑉
𝑚
𝑣𝐷1
𝑡
𝑇 = 2𝜋
−𝑉
𝑚
𝑣𝐷2
𝑡
𝑉
𝑚
𝑹
𝑫𝟏
𝑫𝟐
109. E. Rectificación trifásica de media onda: En este circuito el primario se conecta
en delta y el secundario en y con un punto neutro. Presenta un factor de
ondulación reactivamente bajo, un voltaje promedio de salida moderadamente
bueno, buen aprovechamiento del transformador y una tensión inversa
máxima aplicada a los diodos moderadamente elevada.
𝑫𝟑
𝑫𝟐
𝑫𝟏
𝟏
𝟐
𝟑
𝑽𝑹
+
−
𝑹
𝑨
𝑩
𝑪
113. F. Rectificación hexafásico de media onda: este circuito requiere de un
sistema de alimentación que suministre 6 tensiones desfasadas 𝜋/3 o 60°.
Puede obtenerse a partir de una red trifásica conectando dos sistemas
trifásicos en oposición de fase. Se tiene bajo factor de rizado, un buen valor
promedio de la tensión de salida, un bajo aprovechamiento del
transformador y un voltaje inverso máximo aplicado a los diodos igual al
rectificador de media onda trifásico.
𝑨
𝑩
𝑪
𝑫𝟓 𝑫𝟑 𝑫𝟏
𝟏
𝟑
𝟓
𝑫𝟐
𝑫𝟔
𝑫𝟒
𝟒
𝟔
𝟐
𝑽𝟏
− +
𝑽𝟑
− +
𝑽𝟓
− +
𝑽𝟒
− +
𝑽𝟔
− +
𝑽𝟐
− +
𝑹
𝑽𝑹
−
+
115. Los rectificadores se evalúan normalmente con los siguientes parámetros:
VCD = Valor promedio del voltaje de salida
ICD = Valor promedio de la corriente de salida
PCD = Potencia promedio de salida
𝑃𝐶𝐷 = 𝑉𝐶𝐷 ∙ 𝐼𝐶𝐷
Vrms = Valor de la raíz cuadrada media del voltaje de salida
Irms = Valor promedio de la corriente de salida
Pca = Potencia de salida en ca
𝑃𝑐𝑎 = 𝑉
𝑟𝑚𝑠 ∙ 𝐼𝑟𝑚𝑠
La eficiencia (o razón de rectificación): 𝜂 =
𝑃𝐶𝐷
𝑃𝑐𝑎
116. El voltaje de salida esta formado por dos componentes:
1) Valor de CD
2) Valor de componente de ca
0
𝒗𝒐 𝒕
𝜔𝑡
𝑽𝑪𝑫
𝒗𝑪𝑨
𝑉
𝑟𝑚𝑠
2 = 𝑣𝑐𝑎
2 + 𝑉𝐶𝐷
2
0
𝒗𝒄𝒂
𝜔𝑡
𝑣𝑐𝑎 = 𝑉
𝑟𝑚𝑠
2
− 𝑉𝐶𝐷
2
0
𝑽𝑪𝑫
𝜔𝑡
𝑽𝑪𝑫
𝑽𝑪𝑫 = 𝑽𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑷𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐
117. 𝑹
𝑽𝑪𝑫
+
−
𝑽𝑪𝑫 = 𝑽𝒓𝒎𝒔
𝑰𝑪𝑫 = 𝑰𝒓𝒎𝒔 =
𝑽𝑪𝑫
𝑹
𝑷𝒄𝒂 = 𝑽𝒓𝒎𝒔 ∙ 𝑰𝒓𝒎𝒔 = 𝑷𝑪𝑫 = 𝑽𝑪𝑫 ∙ 𝑰𝑪𝑫
𝒗𝒄𝒂 = 𝟎 𝒔𝒊𝒏 𝒓𝒊𝒛𝒐
𝑽𝒓𝒎𝒔 = 𝑽𝑪𝑫
Factor de forma: Es una medida de la
forma del voltaje de salida
𝑭𝑭 =
𝑽𝒓𝒎𝒔
𝑽𝑪𝑫
Factor de rizo: Es una medida del
contenido de alterna residual
𝑹𝑭 =
𝑽𝒄𝒂
𝑽𝑪𝑫
𝑣𝑐𝑎 = 𝑉
𝑟𝑚𝑠
2
− 𝑉𝐶𝐷
2
𝑣𝑐𝑎
𝑉𝐶𝐷
𝑅𝐹
=
𝑉
𝑟𝑚𝑠
𝑉𝐶𝐷
𝐹𝐹
2
−
𝑉𝐶𝐷
𝑉𝐶𝐷
1
2
𝑅𝐹 = 𝐹𝐹2 − 1
𝑅𝐹 =
𝑉
𝑟𝑚𝑠
𝑉𝐶𝐷
2
− 1
118. Factor de utilización del transformador
Se define como:
𝑇𝑈𝐹 =
𝑃𝐶𝐷
𝑉𝐴𝑇𝑜𝑡
𝑉𝐴 𝑇𝑜𝑡 ∶ volt-amperios
totales del transformador
de alimentación (según
sea monofásico, trifásico
o hexafásico, etc.).
𝑽𝑺
+
−
𝑰𝑺
𝑽𝑺
+
−
𝑽𝑺
−
+
𝑷𝑺 = 𝑽𝑺𝑰𝑺
𝑷𝑺 = 𝟐𝑽𝑺𝑰𝑺 𝑽𝑺
+
−
𝑰𝑺
𝑷𝑺 = 𝟑𝑽𝑺𝑰𝑺
𝒗𝒆
𝑫𝒏
119. A los circuitos rectificadores no controlados se les puede sustituir total
o parcialmente los diodos con tiristores a fin de obtener sistemas de
rectificación controlada que permitan la regulación del valor promedio
del voltaje en la carga en función del ángulo de disparo de estos.
Normalmente se utilizan montajes mixtos de tiristor y diodo por
razones de economía y simplicidad de las etapas de disparo, por lo
tanto se sustituirán por tiristores todos los diodos que tienen un
electrodo común (ánodo o cátodo).
En algunos casos cuando no se desea una regulación completa
desde cero a un voltaje promedio de salida se utiliza la conexión de
tiristores con cátodo común, ya que permite el disparo de estos
mediante un solo circuito de disparo o generador de pulsos.
126. 𝑽𝑹
−
+
𝑹
𝑫𝟏 𝑫𝟑 𝑫𝟓
𝑫𝟐 𝑫𝟒 𝑫𝟔
Pueden ser alimentadas
en estrella o en polígono
en la cual la fase debe
ser mayor o igual a tres.
127. Características:
La tensión de salida será igual al valor absoluto de la suma de las tensiones
positivas o bien a la suma de las tensiones negativas.
La frecuencia de salida se duplica para un polígono con m impar.
La tensión de pico inverso será igual a 𝑉
𝑚.
Cada diodo conduce 120°.
Sus características dependen del número de fases de la entrada.
Solo puede existir a partir de tres fases.
Solo puede construirse en puente.
131. Este tipo de arreglos se realiza cuando se pretende ya sea elevar la
tensión o la corriente de salida o bien para disminuir las fluctuación en
la salida.
Se utiliza para elevar la tensión de salida al utilizar dos puente de
diferente tipo; siempre y cuando las tensiones máximas de cada uno
sean idénticas.
El desfasamiento de las señales hexafásico es de 30º por lo tanto la
señal de salida será el doble de la tensión máxima de uno de los
puentes con salida de frecuencia igual a doce veces la frecuencia de
entrada.
135. Rectificación: AC – DC.
Inversor: DC – AC.
Convertidor: AC – AC.
Ciclo convertidor: AC (alta frecuencia) – AC (baja frecuencia).
Ciclo inversor: Combinación de inversor y ciclo convertidor.
Chopper: Inversor para transformar DC – DC o DC – AC.
137. INTRODUCCIÓN
137
En muchas aplicaciones industriales se requiere
convertir un voltaje fijo de una fuente de C.D. en
un voltaje variable de suministro de C.D. Un
convertidor C.D.-C.D. convierte en forma directa de
cd a cd y se llama simplemente convertidor de C.D.
Se puede considerar que un convertidor C.D. es el
equivalente en cd de un transformador de ca, con
una relación de vueltas que varía en forma continua.
Al igual que un transformador, se puede usar para
subir o bajar el voltaje de una fuente.
APLICACIONES
▫ Fuentes de poder de computadoras.
▫ Sistemas de paneles solares.
▫ Cargar dispositivos móviles a partir del
suministro energético de un automóvil.
138. CONVERTIDOR “CHOPPER”
Sistemas que transforman la C.C. de tensión constante en C.C. de tensión variable y de la misma frecuencia.
Suelen ser reguladores de conmutación, dando a su salida una tensión regulada y, a veces con limitación de
corriente.
138
141. Cuando el interruptor SW, llamado
interruptor periódico, se cierra durante un tiempo t1 , aparece el
voltaje de entrada Vs a través de la carga. Si el interruptor
permanece abierto durante un tiempo t2, el voltaje a través de la
carga es cero. Las formas de onda del voltaje de salida y la corriente
de carga también se ven en la figura. El interruptor de este
convertidor se puede implementar usando
1) un transistor de unión bipolar de potencia (BJT),
2) un transistor de efecto de campo de metal óxido
semiconductor, de potencia (MOSFET),
3) un tiristor de disparo en compuerta (GTO)
4) un transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT).
Los dispositivos prácticos tienen una caída finita de voltaje. que va
de 0.5 a 2 V, Y para simplificar no tendremos en cuenta las caídas
de voltaje de esos dispositivos semiconductores de potencia.
4
1
142. “
Voltaje promedio
142
𝑉
𝑝𝑟𝑜𝑚 =
1
𝑇 0
𝑡1
𝑣0𝑑𝑡 =
𝑡1
𝑇
𝑉
𝑠 = 𝑓𝑡1𝑉
𝑠 = 𝒌𝑽𝒔
donde T es el periodo de conmutación;
k = t1/T es el ciclo de trabajo del interruptor
f es la frecuencia de conmutación.
143. El ciclo de trabajo k se puede variar desde 0 a 1, variando
t1, T o f. En consecuencia, el voltaje de salida Vo se puede
variar de 0 a Vs, controlando k, y el flujo de potencia se
puede controlar.
1. Operación a frecuencia constante: la frecuencia del
convertidor o de conmutación, f (o el periodo de
conmutación T) se mantiene constante, y se varía el
tiempo t1 de encendido. El ancho del pulso se hace variar,
y esta clase de control se conoce como control de
modulación por ancho de pulso (PWM, de pulse-width
modulation).
2. Operación a frecuencia variable: La frecuencia de
conmutación o de conmutación f se hace variar. Se
mantiene constante ya sea el tiempo de encendido t1 o el
tiempo de apagado t2. A esto se le llama modulación por
frecuencia. Se debe variar la frecuencia en un amplio
margen para obtener todo el intervalo de voltajes de salida.
Este tipo de control generaría armónicas a frecuencias
impredecibles, y sería difícil el diseño de su filtro.
143
144. El ciclo de trabajo k se puede generar
comparando una señal de referencia vr de
cd, con una señal portadora en diente de
sierra vcr. Esto se ve en la figura, donde
Vr es el valor pico de vr y Vcr es el valor
pico de vcr.
.
144
GENERACIÓN DEL CICLO DE
TRABAJO
145. “
Ciclo de trabajo
145
𝑘 =
𝑉
𝑐𝑟
𝑉
𝑟
= 𝑀
En la que M se llama índice de modulación. Al variar la señal de la portadora
vcr desde 0 hasta vcr. Se puede variar el ciclo de trabajo desde 0 hasta 1.
146. El algoritmo para generar la señal de disparo para la
compuerta es el siguiente:
1. Generar una forma de onda triangular de periodo T como
señal de referencia vr y una señal portadora vcr.
2. Comparar estas señales con un comparador para generar la
diferencia vr - vcr Y entonces un limitador preciso para obtener
un pulso de onda cuadrada para la compuerta, de ancho kT,
que se debe aplicar al dispositivo de conmutación a través de
un circuito aislador.
3. Toda variación en Ver es lineal respecto al ciclo de trabajo k.
146
147. En la figura se ve un convertidor con una carga RL. El funcionamiento
del convertidor se puede dividir en dos modos. Durante el modo 1, el
convertidor está encendido y la corriente pasa del suministro a la
carga. Durante el modo 2, el convertidor está apagado y la corriente de
carga
continúa pasando por un diodo de marcha libre Dm.
Los circuitos equivalentes para esos modos
y Las formas de onda de la corriente de carga y del voltaje de salida se
ven en la figura, bajo la hipótesis que la corriente de carga aumenta en
forma lineal. Sin embargo, la corriente que pasa por una carga RL sube
o cae en forma exponencial, con una constante. de tiempo. La
constante del tiempo de carga Ƭ = L/R en general es mucho mayor que
el periodo de conmutación T. Así, la aproximación lineal es válida para
muchas condiciones en el circuito y se pueden obtener acciones
simplificadas dentro de exactitudes razonables.
147
147
149. 149
Un convertidor se puede usar para aumentar un voltaje de
cd, y en la figura se ve un arreglo
para operación de subida. Cuando se cierra el interruptor
SW durante el tiempo t1, la corriente por el inductor L
aumenta y almacena energía. Si se abre el interruptor
durante el tiempo t2, la energía almacenada en el inductor
se transfiere a la carga pasando por el diodo D1, y la
corriente por el inductor cae. Suponiendo que el flujo de
corriente es continuo, la forma de onda de la corriente en el
inductor se ve en la figura.
149
150. “
Voltaje promedio
150
𝑉
𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑉
𝑠 + 𝐿
∆𝐼
𝑡2
= 𝑉
𝑠 + 1 +
𝑡1
𝑡2
= 𝑉
𝑠
1
1 − 𝑘
Donde L es el inductor;
ΔI es la corriente de rizo pico a pico en el inductor;
k = t1/T es el ciclo de trabajo del interruptor
151. 151
Si se conecta un capacitor C, grande a través de la carga, como se indica con
líneas interrumpidas en la figura anterior, el voltaje de salida es continuo y Vo se
vuelve el valor promedio Va. Se puede ver en la ecuación:
que el voltaje a través de la carga se puede aumentar variando el ciclo de
trabajo k, y el voltaje mínimo de salida es V, cuando k = O. Sin embargo, el
convertidor no se puede conmutar continuamente de tal modo que k = 1. para
valores de k que tienden a la unidad, el voltaje de salida se vuelve muy grande, y
muy sensible a los cambios de k, como se ve en la figura. Este principio se
puede aplicar para transferir energía de una a otra fuente de voltaje, como se ve
en la figura. Los circuitos equivalentes de los modos de operación y las formas
de onda de corriente en la figura. La corriente por el inductor en el modo 1 es en
donde I1 es la corriente inicial para el modo 1 e I2 es la corriente inicial para el
modo 2.
151
152. “
Punto clave
152
Un convertidor de cd de subida puede producir un voltaje de
salida mayor que el de entrada.
La corriente de entrada se puede transferir a una fuente de
mayor voltaje que el voltaje de
entrada.
153. En la figura se muestra un convertidor de subida con una carga resistiva.
Cuando se cierra
el interruptor S1 la corriente aumenta a través de L y el interruptor. Se
obervan los circuitos equivalentes en ambos modos.
.
153
CONVERTIDOR DE SUBIDA CON
CARGA RESISITIVA
157. ¿Qué es un circuito inversor de CD-CA?
Es un dispositivo electrónico diseñado
para convertir corriente continua de
una batería (acumulador) en corriente
alterna como se recibió de la
compañía que proporciona electricidad
para el consumidor.
158. Funcionamiento
La función de un inversor es cambiar
un voltaje de entrada en corriente
directa CD a un voltaje simétrico de
salida en corriente alterna CA con
magnitud y frecuencia deseadas.
Tanto el voltaje de entrada como la
frecuencia de salida pueden ser fijos
o variables. Si se modifica el voltaje
de entrada de CD y la ganancia del
inversor se mantiene constante, es
posible obtener un voltaje variable
de salida.
Si el voltaje de entrada en CD es fijo y por
lo tanto no es controlable, se puede
obtener un voltaje de salida variable sí se
varía la ganancia del inversor.
Por lo general se hace utilizando algún tipo
de modulación, como es la modulación por
PWM que permite controlar tanto la
ganancia como la frecuencia del inversor.
La ganancia del inversor se puede definir
como la relación entre el voltaje de salida
CA y el voltaje de entrada CD.
159. El inversor de voltaje utiliza circuitos electrónicos para hacer que el
flujo de la corriente continua cambie de dirección de forma periódica
haciéndola similar a la corriente alterna.
Además emplea una serie de filtros para hacer que estos cambios de
dirección sean suaves y regulares de forma que la energía eléctrica
resultante puede ser usada en la mayoría de dispositivos eléctricos
domésticos.
160. ¿DÓNDE LOS ENCONTRAMOS?
● SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS
● CASAS RODANTES
● BARCOS
● TRACCIÓN FERROVIARIA
● SISTEMAS DE BOMBEO Y VENTILACIÓN
161. La corriente alterna es mucho más fácil de regular y su voltaje más
fácil de cambiar que en la corriente continua, por ello es frecuente ver
inversores en aparatos electrónicos
Los inversores también se utilizan en muchas otras aplicaciones,
desde grupos de continuidad hasta controladores de velocidad de
motores eléctricos, desde conmutadores de energía a la iluminación.
162. ¿Para qué se utilizan?
● La mayoría de baterías y la mayoría de fuentes de energías
renovables, producen corriente continua mientras que la mayoría
de aparatos eléctricos funcionan con corriente alterna; por esto el
principal uso de los inversores es para hacer transformar la
energía eléctrica continua disponible en corriente alterna que
pueda ser utilizada para la mayoría de aparatos eléctricos.
● Otros inversores más grandes se utilizan para convertir la energía
eléctrica generada por molinos de viento o por placas fotovoltáicas
en corriente alterna para que pueda ser suministrada a los
hogares a través de la red eléctrica general.
163. INVERSORES MÁS COMUNES
● ONDA CUADRADA medio puente
(para cargas puramente resistivas)
● ONDA SENOIDAL MODIFICADA
(adecuados para cargas resistivas y
capacitivas)
● ONDA SENOIDAL PURA (adecuados
para todo tipo de cargas por que
producen una onda senoidal igual a la
red eléctrica doméstica)
164. ● La corriente continua de onda cuadrada no tiene unos picos y
valles de forma tan suave como la corriente alterna que hay en la
red eléctrica de los hogares pero es válida que funcionen la
mayoría de aparatos eléctricos. Debido a que se pueden utilizar y
que son muy baratos, los inversores de onda cuadrada con las
comunes.
● Los inversores de onda senoidal pura son bastante más caros
pero producen una corriente alterna más constante y con picos y
valles más suaves. Este tipo de inversores son los utilizados para
equipos y aparatos más sensibles, por ejemplo aparatos
electrónicos de hospital.
165. Especificaciones básicas de un inversor:
Otras especificaciones:
• Obtención de aislamiento galvánico
• Minimización de tamaño y peso
• Simplificación del circuito de control: inversores auto-oscilantes
• Mejorar las conmutaciones: inversores resonantes
• Capacidad de cambio de la amplitud de salida
• Posibilidad de ajuste de la frecuencia de salida
• Eliminar o reducir armónicos
166. VENTAJAS
Principalmente el costo, es uno de los factores que pesan mucho en
la comparativa de los inversores, contra otros equipos de su
especialidad ya que en la relación de uno contra el otro es de 2 veces
por una aproximadamente.
Versatilidad, en los casos donde se requieren particularmente
equipos con comunicación, control de velocidad y que sea muy
precisos en los pares de arranque y paro del motor.
167. Excelentes para el uso en ventiladores, de cualquier tipo, ya sean de
turbina o de aspas, controla el flujo de aire se pueden programar sus
arranques y paros a diferentes horas y principalmente la velocidad.
Ahorro considerable de energía, esto significa que el inversor no solo
con la compra del equipo sino también en cada arranque y paro pues
controla la corriente y el par para así economizar.
168. No tiene control a muy bajas velocidades, siendo motores de corriente
alterna no tienen la capacidad de trabajar con velocidades bajas que
sean muy precisas ya que son motores de inducción por lo que no
hay un control de la corriente que garantice que si queremos que gire
lento y ala ves con pleno control tendríamos que pensar en un motor
de pasos o de lo contrario uno de corriente directa.
169. Tipos de Inversores
1) Transformador con Toma media
2) Batería con Toma media
3) Puente Monofásico
4) Puente trifásico
170. Transformador con Toma Media
El polo positivo de la fuente VS
está conectado a la toma media
de un transformador
considerado ideal. El polo
negativo de la batería se toma
como referencia de tensiones
para el circuito asociado al
primario.
171. La tensión resultante en la salida es una onda cuadrada de amplitud Vs independiente
de la intensidad para cualquier tipo de carga, cuya frecuencia está determinada por la
velocidad de cierre y apertura de los interruptores, y en los circuitos prácticos por la
frecuencia de los impulsos de excitación de los semiconductores.
172. Batería con Toma Media
1. Cuando Q1 está excitado y saturado, la
tensión en Vs/2 respecto a la toma media,
salvo caídas de tensión despreciables en el
semiconductor.
2. Cuando Q2 está excitado, la tensión de la
carga es -Vs/2
3. La tensión resultante en la carga es una onda
cuadrada de amplitud Vs/2
4. Son necesarios diodos antiparalelo con los
transistores que permitan circulación de la
intensidad reactiva.
173. Puente Monofásico
● Cuando se encuentra excitado T1 Y T4, la carga
queda sometida a la tensión Vs de la batería.
● Excitando T2 y T3, la tensión en la carga se
invierte.
● La carga queda sometida a una tensión cuadrada
de amplitud igual a la tensión de la batería Vs, esto
supone una ventaja con respecto al inversor con
batería de toma media.
174. Inversor en puente completo: funcionamiento
Control sin deslizamiento de fase
Q1
Q2
on off on
off on off
Q4
Q3
VE
-VE
uS
Q1
Q2
Q3
Q4
VE uS
• Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el
mismo esfuerzo en los interruptores
175. Inversores Trifásicos
● Se utiliza para circuitos que necesitan una elevada potencia a la
salida. Tres inversores monofásicos de medio puente o de puente
completo pueden conectarse en paralelo, para formar la
configuración de un inversor trifásico.
176. ● Las señales de las compuertas de los inversores monofásicos
deben adelantarse o retrasarse 120 grados uno con respecto
al otro, a fin de obtener voltajes trifásicos balanceados. Los
embobinados primarios del transformador deben aislarse uno
de otros en tanto que los embobinados secundarios pueden
quedar conectados en estrella o en delta.
177. ● Se puede obtener una salida trifásica a partir de una configuración
de seis transistores y seis diodos. A los transistores se les puede
aplicar dos tipos de señales de control: a 180° o a 120° de
conducción.
178.
179.
180.
181.
182. • Un ciclo conversor es un Convertidor estático de potencia que convierte
un voltaje AC, como es el suministro que ofrece la red eléctrica, a otro
voltaje AC sin la necesidad de una etapa intermedia de CC.
• La amplitud y la frecuencia del voltaje de entrada tienden a ser fijas,
mientras que tanto la amplitud como la frecuencia del voltaje de salida
pueden ser variables dependiendo del control.
• A los convertidores directos de corriente alterna en corriente alterna de
distinta frecuencia se les conoce como ciclo convertidores.
• Estos sistemas serán capaces de proporcionar una corriente alterna mono o
polifásica de amplitud y frecuencia regulables, a partir de un generador de
CA.
• En muchas aplicaciones se necesita disponer de potencia eléctrica de
frecuencia, fija o variable, pero distinta característica que la suministrada
por el generador que se dispone. Por tanto deberemos colocar un
dispositivo entre la red eléctrica y la carga de forma que se transforme la
energía eléctrica cambiando su frecuencia según sea necesario.
183. Los dispositivos semiconductores de potencia empleados en tales convertidores
son, típicamente, tiristores, trabajando en conmutación natural.
En aplicaciones de baja potencia se puede hacer uso de TRIACs, en cuanto que
para potencias más elevadas se utilizan 2 SCRs
Si bien existen diversos modos de control para los reguladores de corriente
alterna, los más utilizados son:
- Control por ángulo de fase.
- Control por amplitud.
- Control ON-OFF de paso por cero o por secuencia
184. CONVERTIDORES DE TENSIÓN ALTERNA
• Para circuitos alimentados por una fuente alterna. Si
se conecta un interruptor implementado como tiristor,
el flujo de potencia transmitido a la carga puede
controlarse variando el valor eficaz de la tensión
aplicada a la misma.
• Las técnicas usadas para controlar la potencia
transferida a la carga son:
• Control on-off o de encendido y apagado.
• Control de fase
185. CONTROL ON-OFF
• En este los tiristores conectan a la carga a la fuente de
alimentación durante unos ciclos para luego desconectarla
durante otros ciclos
186. Este tipo de control de
emplea en aplicaciones de
alta inercia mecánica, como
es el caso del control de
velocidad de motores, y de
alta constante térmica,
como puede ser la
calefacción industrial
𝑽𝒔
𝒏
𝒏 + 𝒎
187. CONTROL DE FASE
• En este los tiristores conectan y desconectan fuente y carga
durante una parte o porción del ciclo de tensión de entrada.
188.
189. • Estos permiten controlar la magnitud de la tensión aplicada a la
carga y la magnitud de la frecuencia de salida. Esto con
convertidores en cascada o bien los ciclo convertidores .
190. CONVERTIDORES EN CASCADA
• Constan de dos etapas.
• La primera es un convertidor de CA – CC.
• La segunda es un convertidor de CC – CA.
191. CICLOCONVERTIDORES
• Estos transforman una tensión fija alterna en otra alterna de
magnitud y frecuencia variable, pero con una sola etapa.
• La frecuencia de la tensión alterna de salida es una fracción de la
alterna de entrada.
• Estos tiene especial aplicación en manejo de alta potencia, como en
accionamientos a baja velocidad y alta potencia en motores de
corriente alterna
• Al aplicar el uso de tiristores no se requiere la adaptación de un
circuito adicional de apagado
192.
193. • Considerando que los tiristores no se disparan de manera
constante si no variable en cada periodo de la onda de salida,
de forma lenta a comparación de la frecuencia W de la tensión
de entrada.
194. CONVERTIDOR POSITIVO (P)
• De manera practica se puede implementar comparando las
tensiones de la línea de entrada con la tensión senoidal
deseada a la salida, disparando cada tiristor cuando la tensión
vd(wt) que se obtendrá se aproxima mas a la deseada que la
que se provocara con el disparo
195. • La desventaja de este convertidor es que solo funciona en
los cuadrantes I y IV donde puede tenerse voltaje positivo y
negativo pero la corriente solo circula en un sentido
196. CONVERTIDOR NEGATIVO
• Este montaje es similar al anterior solo que este funciona par
los cuadrantes II y III ya que se invierten los tiristores.
• En este arreglo al contrario de lo que ocurre en el convertidor
positivo, cuando se produce la conmutación entre un tiristor y
otro la tensión de salida disminuye.
197.
198. CICLOCONVERTIDOR DE CUATRO
CUADRANTES
• Es un arreglo de los dos convertidores anteriores el tipo P y el
tipo N.
• Debido a su funcionamiento en los cuatro cuadrantes, en cada
periodo de la onda de salida hay momentos en que funciona
como rectificador (tensión y corriente del mismo signo) donde
la potencia se transmite a la carga, y momentos donde trabaja
como inversor (tensión y corriente de diferente signo) donde la
potencia se transmite a la fuente.
199.
200. CICLOCONVERTIDORES CON SALIDA
TRIFÁSICA
• Muchas de las aplicaciones de los cicloconvertidores, como
puede ser el control de motores de alterna que requieren salida
trifásica.
• Para lo cual se implementa el cicloconvertidor de cuatro
cuadrantes uno por cada fase donde se sincronizan los
tiristores de cada fase para obtener un sistema trifásico
equilibrado.
201.
202.
203.
204. APLICACIONES
• controlar la velocidad de un motor de tracción AC (un tipo de motores
eléctricos utilizados en locomotoras)
• Calentamiento industrial (control de temperatura)
• Control de intensidad luminosa en lámparas incandescentes
• Accionamiento de motores de CA
• Arranque suave de motores de inducción
• Compensación de energía reactiva
• Control de transformadores
• Otras importantes aplicaciones para estos equipos son en la gran minería, y
abarcan las siguientes:
• accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) mediante motores anillo para
molinos semiautógenos (SAG) y de bolas de gran potencia
• accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) para correas transportadores de
gran potencia.
• accionamiento eléctrico sin engranajes (gearless) para elevadores (hoists)
