electronica industrial 2
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Electronica IndustrialTRANSCRIPT
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Ing. Edgard Oporto
ELECTRONICA DE POTENCIA
Mdulo: 2 Unidad: 1 Semana: 1
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DIODOS DE POTENCIA Y SCRs
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ORIENTACIONES
- Estudiar el material de ayuda antes de la sesin respectiva.
- Escuchar atentamente la tutora
- Para intervenir y hacer preguntas levantar la mano
- Ingresar con sus apellidos y nombres, no con seudnimo
- Desarrollar los ejercicios propuestos
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CONTENIDOS TEMTICOS
Diodos semiconductores de potencia
Caractersticas
Tipos
Modelo Spice
Circuitos con diodos y circuitos rectificadores
Diodos con carga RC y RL, LC y RLC
Rectificadores monofsicos
Otros rectificadores
Efectos de la inductancia
SCRs
Principio de funcionamiento
Formas de onda y caractersticas
Circuitos de control por puerta tpicos
SCRs con circuitos en CD
UJT principio de funcionamientoOsciladores de relajacin
Circuitos de disparo con SCR
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Caractersticas
- Funcionan como interruptor.
- Se les puede considerar como SWITCHs ideales, pero en la prctica tienen
ciertas limitaciones.
Diferencias con diodos de seal
- Manejan mayores corrientes
- Manejan mayores voltajes
- Velocidad de conmutacin menor (son ms lentos)
Aplicaciones
- Rectificadores
- Reguladores conmutados
- Inversin de carga en los capacitores
- Transferencia de energa entre componentes
- Aislamiento de voltaje
- Retroalimentacin de la energa de la carga a la fuente
- Recuperacin de la energa atrapada
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Caractersticas
POLARIZACION DIRECTA
Voltaje del nodo mayor que el de
ctodo.
El diodo conduce con una cada
de voltaje pequea.
Es un SWITCH o cortocircuito
(idealmente)
POLARIZACION INVERSA
Voltaje del nodo menor que el de
ctodo.
El diodo no conduce.
Es un circuito o SWITCH abierto
(idealmente)
P
N
+
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i
V
A (nodo)
K (ctodo)
A (nodo)
K (ctodo)
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Caractersticas
En directa
La corriente sufre gran aumento con
pequeos voltajes.
Cada de tensin casi cero (ideal: nula)
En inversa
A voltajes bajos el diodo no conduce.
Al aumentar el voltaje, fluye una
corriente inversa o de fuga.
Voltaje de avalancha
Provoca una gran conduccin en
inversa. Puede destruir al diodo.
Curvas V-I
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Curva V - I
IF
Corriente en directa
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Curva V - I
Consta de tres regiones
REGION DE POLARIZACION DIRECTA
VD > 0
Voltaje de umbral o conduccin = 0.7V
Si VD < 0.7V ID es muy pequeaNo conduce
Si VD > 0.7V El diodo conduce
REGION DE POLARIZACION INVERSA
-1000V < VD < 0
La corriente del diodo es negativa, constante y casi nula.
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Curva V - I
REGION DE RUPTURA
VD < Voltaje de ruptura
VD < -1000V
La corriente inversa aumenta rpidamente y puede ser destructiva si supera
cierto valor.
Es necesario limitar la corriente inversa para mantener la potencia dentro de
niveles seguros o mximos indicados por el fabricante.
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Tiempo de recuperacin inversa (trr)
Indica la capacidad del diodo para conmutar de los estados
de conduccin a corte.
Esta conmutacin debe ser rpida.
Curva de conmutacin ( iD vs t )
Diodo
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DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Tiempo de recuperacin inversa (trr)
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TIPOS
DE USO GENERAL
DE ALTA VELOCIDAD (O RECUPERACION RAPIDA)
SCHOTTKY
DO 5
B 44
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TIPOS
DE USO GENERAL
Hasta unos 5000 V
Hasta unos 3500 A
trr tpico de 25 us
Uso en aplicaciones de baja velocidad, por ejemplo
en rectificadores con diodos, convertidores de hasta
1KHz y en convertidores conmutados en lnea.
Fabricacin
- Por difusin, los ms comunes
- Tipo aleacin, ms econmicos y duraderos.
Solo llegan hasta los 300A y 1000V
Usados en fuentes de alimentacin para
mquinas de soldadura.
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TIPOS
DE ALTA VELOCIDAD (O RECUPERACION RAPIDA)
Hasta unos 3000 V
Hasta unos 1000 A
Tiempo de recuperacin inversa entre 0.1 y 5 us
Usados en los convertidores de potencia (CD-CD y
CD-CA) de altas frecuencias.
Fabricacin
Diodos por difusin para voltajes mayores a 400V
Diodos epitaxiales, para voltajes menores a 400V. Tienen trr menores, tpico 50ns.
FRED Fast recovering epitaxial diodes
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TIPOS
SCHOTTKY (de barrera o recuperacin rpida)
Construido por unin metal-semiconductor.
Bajo voltaje de estado activo (entre 0.2V y 0.4V).
Corrientes de fuga mayores (desventaja).
Baja resistencia en inversa con voltajes altos.
Tiempo de recuperacin de ns.
Alta velocidad de conmutacin o respuesta, rectifica
seales de muy altas frecuencias.
Corriente hasta 300A
Usados en fuentes de alimentacin de alta corriente y bajo voltaje en
directa. En circuitos o chips de alta frecuencia.
Tambin se emplean en fuentes de alimentacin de baja corriente para
una mayor eficiencia.
Proteccin de descarga de paneles solares con bateras de plomo cido.
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MODELO SPICE
En la figura se muestra el modelo en SPICE de un diodo.
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CIRCUITOS CON DIODOS Y CIRCUITOS
RECTIFICADORES
Los diodos tienen muchas aplicaciones en la electrnica.
Se emplean ampliamente para la conversin de energa elctrica,
tpicamente de CA a CD.
Para efectos de simplificacin consideraremos a los diodos como ideales, es
decir:
Tiempo de recuperacin inversa = 0 s
Cada de voltaje directo = 0 V
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RC
Condicin inicial: vc (t = 0) = 0
Resolviendo la ecuacin:
Vc alcanza un voltaje en rgimen
estable igual a Vs.
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RL
i(t) alcanza un valor en rgimen
estable de Is = Vs/R
La bobina termina como un cable.
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA LC
i = 0
Vc = 2Vs
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RLC
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RLC
Se definen:
Factor de amortiguamiento
Frecuencia de resonancia
Races iguales: s1=s2
Circuito crticamente amortiguado
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RLC
Se definen:
Factor de amortiguamiento
Frecuencia de resonancia
Races reales
Circuito sobreamortiguado
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DIODOS CON CARGA RC Y RL, LC Y RLC
CON CARGA RLC
Se definen:
Factor de amortiguamiento
Frecuencia de resonancia
Races complejas
Circuito sub-amortiguado
Senoidal amortiguada o de decaimiento.
wr: frecuencia de resonancia
A1 y A2 constantes a partir de las
condiciones iniciales
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RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA
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Parmetros de rendimiento de un rectificador
- Valor promedio del voltaje de salida VCD
- Valor promedio de la corriente de salida ICD
- Potencia de salida en continua PCD = VCD ICD
- Valor medio cuadrtico (RMS) del voltaje de salida VRMS
- Valor medio cuadrtico (RMS) de la corriente de salida IRMS
- Potencia de salida en alterna PCA = VRMS IRMS
- Eficiencia (relacin de rectificacin):
Cifra de mrito:
Voltaje de salida = VCD + VCA
Factor de forma
Es una medida de la forma del voltaje de salida:
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RECTIFICADOR MONOFASICO DE
ONDA COMPLETA
Rectificador 1 de onda completa con transformador de
toma central
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RECTIFICADOR MONOFASICO DE
ONDA COMPLETA
Rectificador 1 de onda completa con puente de diodos
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RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA
COMPLETA CON CARGA RL
En la prctica, las cargas tienen cierta parte inductiva.
La corriente de carga depende de R y L.
Voltaje de entrada:
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RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA
COMPLETA CON CARGA RL
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RECTIFICADOR MULTIFASE en estrella
Rectificador de onda completa con transformador de derivacin central
Se vio que el voltaje promedio de salida es:
Se emplean en aplicaciones hasta de 15KW.
Para potencias mayores se emplean rectificadores trifsicos y multi-fsicos.
Series de Fourier de Vcd
La salida contiene armnicos.
La frecuencia de la fundamental es el doble del de la fuente (2f).
Los armnicos se reducen con filtros.
El tamao del filtro se reduce con el aumento de frecuencia de los armnicos.
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RECTIFICADOR MULTIFASE en estrella Generan mayor potencia.
La frecuencia de los armnicos es mayor (q veces el de la fuente, q x f).
Son una extensin del circuito mostrado antes:
De 2 se pasa a q fases.
Secundario con q bobinados.
Cada uno es un rectificador
de media onda
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RECTIFICADOR MULTIFASE en estrella
El diodo K conduce mientras su
voltaje sea mayor al de los dems.
Cada diodo conduce un periodo:
El voltaje promedio es:
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RECTIFICADOR MULTIFASE en estrella
El diodo K conduce mientras su
voltaje sea mayor al de los dems.
Neutro
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RECTIFICADOR PUENTE TRIFASICO
Muy usado en aplicaciones de alta energa.
Es un rectificador de onda completa.
Puede trabajar con/sin transformador.
Consta de 6 diodos: D1, D2, D3, D4, D5 y D6.
Cada uno conduce durante 120.
La secuencia de conduccin es:
12 23 34 45 56 61 y se repite.
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RECTIFICADOR PUENTE TRIFASICO
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EFECTOS DE LA INDUCTANCIA
Los rendimientos de los
rectificadores se modifican
ligeramente por efectos de la
inductancia.
En la figura se presenta para
anlisis un rectificador puente
trifsico con inductancia en la
fuente.
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SCRs
SCR Silicon Controlled Rectifier
Rectificador controlado de silicio
Tambin llamados tiristores.
Es uno de los dispositivos de potencia ms importantes
y empleados.
Funciona como SWITCH, similar a un DIODO.
Tres terminales.
Permite el control de corrientes elevadas.
Conduce en un solo sentido.
El terminal PUERTA se emplea para controlar la
conduccin del SCR.
SIMBOLO
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FORMAS DE ONDA Y CARACTERISTICAS
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CONTROL DE CONDUCCION DEL SCR
(Formas de onda)
El SCR se conecta en serie con la carga.
Cuando la entrada es negativa el SCR no conduce.
SCR es circuito abierto
VAK = Tensin de entrada
Cuando la entrada es positiva, conduce al
activarse la puerta.
VAK = 0
SCR en corto
La activacin de la puerta o
disparo del SCR se realiza
entre 0 y 180.
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CONTROL DE CONDUCCION DEL SCR
(Formas de onda)
Angulo de conduccin
Angulo dentro de un semi-ciclo de 180 durante el
cual el SCR conduce.
SCR en corto.
Angulo de retardo de disparo
Angulo antes que el SCR sea activado.
SCR es circuito abierto.
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CARACTERISTICAS DE PUERTA DEL SCR
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PASO A OFF DEL SCR
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Ejemplo
- Hallar el voltaje necesario (VXK) para disparar el SCR.
- Para disparo, IG = 20 mA (segn fabricante)
VXK = VXG + VGK
VXK = 150 x 20mA + 0.7V
VXK = 3.7V , como mnimo
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CIRCUITOS DE CONTROL DE PUERTA TIPICOS
Desventaja
Angulo de disparo de
0 a 90.
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CIRCUITOS DE CONTROL DE PUERTA TIPICOS
Disparo con capacitor
Angulo de disparo de 0 a 180.
Cuando la entrada es negativa
El capacitor se carga y polariza el G
con menor potencial que el K.
No se dispara el SCR.
Cuando la entrada es positiva
El voltaje almacenado en el capacitor
se descarga a travs de las
resistencias y se puede graduar el
tiempo, es decir el ngulo de disparo.
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FORMAS DE ONDA Y CARACTERISTICAS
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UJT
a) Transistor uni juntura, tres terminales B1 base 1
b) Dispositivo de conmutacin. B2 base 2
c) Empleado en circuitos industriales, como: E emisor
- Temporizadores
- Osciladores
- Generadores de onda
- Disparo de SCRs
- Disparo de TRIACs
Smbolo
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UJT
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UJT
Vp = VB2B1 + 0.6V
Ejemplo
Si VB2B1 = 20 V
= 0.55
Entonces
Vp = 0.55 x 20 + 0.6V
Vp = 11.6V
Al cerrar el SW, C se carga a travs de RE.
Cuando el voltaje en CE, o sea VEB1, alcance los 11.6V,
el UJT se dispara (corto entre E y B1) y provoca la
descarga de CE.
El pulso de corriente entre E y B1 se aprovecha para
disparar otros circutios, como SCRs y TRIACs.
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CIRCUITOS DE DISPARO CON SCR
El UJT produce una salida tipo pulso,
ideal para disparar sin exceder la
potencia de puerta del SCR.
El punto disparo es estable en un
amplio rango de temperatura.
Se muestra:
Circuito de disparo de SCR con UJT
sincronizado con la lnea.
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CIRCUITOS DE DISPARO CON SCR
El diodo zener, DZ1, recorta la entrada
al voltaje zener, unos 20 V tpico.
Esto ocurre en los ciclos positivos.
En los ciclos negativos, DZ1 esta en
directa y mantiene Vs prximo a cero.
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CIRCUITOS DE DISPARO CON SCR
Con Vs, CE inicia su carga va RE.
Cuando CE alcanza Vp del UJT:
El UJT se dispara
CE se descarga
Ocurre un pulso de corriente en R1
Ocurre un pulso de voltaje en R1, el cual
dispara al SCR.
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OSCILADORES DE RELAJACION
Se muestra un circuito tpico.
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CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DE
INVESTIGACIN SUGERIDAS
a) Simular los circuitos tpicos con diodos y SCRs estudiados.
b) Implementar algunos de los circuitos con diodos de potencia y SCR
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GRACIAS