modulo electronica industrial

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1

ELECTRNICA INDUSTRIAL

UNIDAD 1. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC Y CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-AC



2

CAPITULO 1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE POTENCIA

1.1 QUE ES LA ELECTRNICA DE POTENCIA

Es la aplicacin de circuitos basados en dispositivos de estado slido

(semiconductores) con el propsito de controlar y efectuar conversiones de la

energa elctrica. La figura 1, muestra la concepcin de un sistema de

electrnica de potencia bsico.

Figura 1. Sistema Bsico de Electrnica de Potencia.

Obsrvese que un sistema de electrnica de potencia esta compuesto

bsicamente de:

Fuente de energa elctrica: Provenientes de las redes elctricas de

potencia AC, de fuentes DC como las bateras, rectificadores AC, paneles

solares, de generadores elicos, etc.

Circuito de potencia: Es la etapa de potencia, basada principalmente en la

conmutacin (ON/OFF) de dispositivos semiconductores tales como

diodos, SCR (Rectificadores Controlados de Silicio), TRIAC (Triodos AC),

transistores MOSFET, Transistores BJT, Transistores IGBT. Tambin se

utilizan elementos pasivos como transformadores, condensadores y

bobinas. En esta etapa se manejas grandes valores de corriente y de

tensin.



3

Circuito de mando: Es la etapa de control, basada principalmente en

microcontroladores, circuitos integrados lineales, DSP (Procesador Digital

de Seal), con el propsito de gobernar el suicheo de los dispositivos

semiconductores de potencia.

Carga: Puede ser puramente resistiva (cuando se controla por ejemplo el

calor) o compuesta resistiva-inductiva (RL), cuando se controlan

velocidades de motores, en donde se regulan los valores DC o RMS de la

tensin aplicada, la frecuencia, el numero de fases. Tambin pueden ser

bateras en proceso de carga, lmparas incandescentes o fluorescentes

en procesos de control de intensidad de iluminacin, etc.

1.2 DISPOSITIVOS EMPLEADOS EN LA ELECTRONICA DE POTENCIA

En este punto es importante tener una primera aproximacin al empezar a

conocer detalles de funcionamiento, como tambin caractersticas tcnicas, de

los dispositivos semiconductores que se emplean en el campo de la electrnica.

Algunos de los ms importantes son:

1.2.1 Diodos de potencia

Se encuentran en el mercado de tres clases:

De uso general, disponibles con tensiones hasta 3KV y 3.5KA,

empleados principalmente para rectificar AC de 60 Hz. La figura 2 muestra

los encapsulados comerciales de estos dispositivos.

Figura 2. Encapsulado de diodos de potencia rectificadores de baja frecuencia



4

De alta velocidad o recuperacin rpida, disponibles con tensiones

hasta 1.5KV y 1KA, con tiempos de recuperacin inversa menores a 5 s y

su principal aplicacin est en convertidores de potencia de alta frecuencia

(frecuencias mayores a 20 KHz), Inversores, UPS (Unidades de Potencia

Ininterrumpida).

Schottky, disponibles con tensiones hasta 100 V y 300 A, con tiempos de

recuperacin inversa menores a 10 ns y su principal aplicacin est en

fuentes conmutadas, convertidores, cargadores de bateras, diodos de libre

paso (para descargar bobinas en conmutacin de alta frecuencia).

1.2.2 Tiristores

Son dispositivos de tres terminales, denominados nodo (A), ctodo (K) y

compuerta (G). El tiristor conduce siempre que la tensin del nodo sea mayor a

la del ctodo (como en el caso de los diodos) y que adems haya una pequea

corriente circulando desde el terminal de la compuerta al ctodo. La figura 3

muestra la construccin interna de un tiristor, su modelo equivalente con base a

transistores BJT y su smbolo electrnico.

Figura 3. Construccin interna de un tiristor



5

La figura 4, muestra los distintos tipos de encapsulados existentes, dependiendo

de la capacidad de corriente manejada por el tiristor.

Figura 4. Tipos de encapsulados de tiristores

Hay varios tipos de tiristores en el mercado y se pueden clasificar de la

siguiente manera:

Rectificadores Controlados de Silicio (SCR): Una vez entra en

conduccin el circuito de compuerta ya no tiene ningn control sobre el

dispositivo. El tiristor dejar de conducir cuando el potencial del nodo es

igual o menor al del ctodo y esto se logra por conmutacin natural

(fuente de energa AC) o por conmutacin forzada mediante un circuito

adicional (fuente de energa DC). Estn disponibles con tensiones hasta

unos 6 KV y corrientes hasta 3.5 KA.

Tiristor desactivado por compuerta (GTO): Es un tiristor de auto

desactivacin, pues se activa como el SCR, pero se desactiva aplicando

un pulso negativo a la compuerta de corta duracin, por lo tanto no

requiere de circuitos de conmutacin forzada. Se aplican en conmutacin

forzada de convertidores y su disponibilidad de tensin y corriente es del

orden de 4 KV y 3 KA respectivamente.



6

La figura 5 muestra el smbolo del tiristor GTO y sus principales

caractersticas.

Figura 5. Smbolo del GTO

Tiristor de induccin esttico (SITH): Funciona semejante al GTO, su

principal aplicacin esta en convertidores de potencia mediana con

frecuencias en el orden de los MHz, mucho mayores que la del GTO, con

tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta 0.3 KA.

Tiristor de conduccin inversa (RCT): Es un tiristor que incluye un

diodo conectado inversamente entre el nodo y el ctodo. Su tensin

puede ir hasta 2.5 KV, 1 KA en conduccin directa y 0.5 KA en

conduccin inversa, con tiempos de interrupcin menores a 40 s. Se

aplican principalmente en sistemas de traccin donde se requiere

interrupcin de alta velocidad.

Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT): Funciona

de manera similar al RCT, con velocidades de interrupcin de 8 s y

tensiones de solo 1.2 KV y corrientes de 0.4 KA.

Rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR): Se utilizan

principalmente en sistemas de alta tensin de hasta 6KV y 1.5 KA con



7

velocidades de interrupcin de 300 s. La figura 6 muestra el smbolo de

este tiristor y sus principales caractersticas.

Figura 6. Smbolo del LASCR

Trodo de corriente alterna (TRIAC): Se comporta como dos SCR

conectados en antiparalelo con un solo terminal de compuerta. El flujo de

corriente se puede controlar en cualquier direccin. Su principal aplicacin

es control de AC de baja potencia para controles de calor, iluminacin,

motores universales e interruptor de AC. La figura 7 muestra la estructura

interna y el smbolo de un TRIAC.

Figura 7. Smbolo y estructura interna del TRIAC



8

Tiristor controlado por MOS (MCT): Entran en conduccin aplicando un

pequeo pulso de voltaje negativo a la compuerta MOS respecto al nodo

y se desactivan aplicando un pequeo pulso positivo. Se comporta similar

a un GTO. Se consiguen con tensiones hasta 1 KV y corrientes de 0.1

KA. La figura 8 muestra el smbolo del MCT y sus principales

caractersticas.

Figura 8. Smbolo del MCT

1.2.3 Transistores bipolares de unin (BJT): Los BJT de alta potencia se

emplea en la mayora de las veces en los convertidores de energa que trabajan

con frecuencias menores a 10 KHz, con tensiones hasta 1.2 KV y corrientes

hasta de 0.4 KA. Se trabajan en los estados de saturacin (ON) y corte (OFF).

1.2.4 Transistores MOSFET: Se emplean en convertidores de potencia de alta

velocidad de conmutacin (varias decenas de KHz), con tensiones de hasta 1KV

y corrientes de solo 50 A. La figura 9 muestra construccin interna de un

MOSFET, sus smbolos y caractersticas ms importantes.



9

Figura 9. MOSFET: Estructura interna y smbolos

1.2.5 Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT): A diferencia de los

BJT, estos no son controlados por corriente (la de Base), sino por tensin (la de

Compuerta). Presentan una velocidad de conmutacin intermedia entre los BJT

(la menor) y los MOSFET (la mayor), hasta unos 20 KHz. Su tensin y corriente

de trabajo mximo se encuentra en 1.2 KV y 0.4 KA respectivamente. La figura

10 muestra el smbolo y la estructura interna de un IGBT canal N.

Figura 10. IGBT - N: Estructura interna y smbolos



10

En conclusin, el componente bsico del circuito de potencia, es decir el

elemento de conmutacin, debe cumplir los siguientes requisitos:

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia

(bloqueo, OFF, Apagado) y otro de baja impedancia (conduccin, ON,

encendido).

Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea

potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando

est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus

terminales de potencia (Emisor Colector para el BJT, Drenador

Surtidor para el MOSFET, nodo Ctodo para el tiristor), cuando est

en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar

grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro (ON/OFF u

OFF/ON).

El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento

habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende

de la frecuencia. La figura 11 muestra como los tiristores que trabajan a bajas

frecuencias de conmutacin pueden manejar mayores potencias en contraste

con los MOSFET que aunque conmutan a mayores frecuencias manejan

menores potencias.



11

Figura 11. Relacin entre potencia manejada y frecuencia de conmutacin

1.3 CARACTERSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Es importante ahora comprender como una tensin de control puede llevar al

dispositivo de potencia a los estados de encendido (ON) y apagado (OFF).

Desde el punto de vista de las caractersticas de control los dispositivos de

potencia se pueden clasificar en:

Dispositivos con necesidad de seal continua en el terminal de

control para el encendido (compuerta o base): BJT, MOSFET, IGBT.

La figura 12 muestra este requisito en el caso del BJT. Obsrvese que

para que el BJT se mantenga encendido durante el tiempo TON se

requiere obligatoriamente que durante ese mismo tiempo se este

aplicando una seal de amplitud apropiada en el terminal de control que

en este caso es la base, de esta manera el BJT entra en saturacin y

prcticamente el colector y el emisor quedan en cortocircuito

quedando conectada la fuente de energa VF a la resistencia de carga

y por lo tanto el voltaje de salida VO es el mismo VF .

Figura 12. Caracterstica de conmutacin de un BJT

La figura 13, muestra la misma situacin anterior pero en este caso

los dispositivos de conmutacin son un MOSFET y un IGTB.

VOVF

TON

VB

TON

VO

T

T

0

0

1

t

tVF

VB

VF

VO

VGSVF

0

1

0

VO

VGS

TON Tt

TON Tt



12

Figura 13. Caracterstica de conmutacin del MOSFET e IGBT

Dispositivos con necesidad de solo un pulso en el terminal de

control para el encendido (compuerta): SCR, GTO, MCT, SITH, TRIAC.

La figura 14 muestra este requisito en el caso del SCR.

Figura 14. Caracterstica de conmutacin del SCR

Obsrvese que en el instante t = 0 se suministra un pulso de corta

duracin en el terminal de compuerta del tiristor y este empieza a

conducir, es decir, entra en el estado de encendido, de tal manera que se

puede asumir que el nodo y el ctodo quedan en cortocircuito y por lo

tanto el voltaje VO de la carga es el mismo de la fuente VF. En el estado

de conduccin pulsos de compuerta negativos no tienen ningn efecto en

el SCR.

La figura 15 muestra este mismo requisito en el caso del GTO, MCT,

SITH.

Figura 15. Caracterstica de conmutacin del GTO, MCT y SITH

VFVF

0

0

1

-1

VO

VO

VG

VG

t

t

VF VO

VG

VG

0

1

-1

VF

0

VO

t

tT ON T



13

En el caso del GTO y del SITH, se requiere de un solo pulso positivo en la

compuerta para llevarlo al estado de encendido y un pulso negativo para

apagarlo disparado en el tiempo TON .

En el MCT los pulsos son invertidos, es decir, pulso negativo en la

compuerta para que el dispositivo se encienda y positivo para que se

apague.

Dispositivos de encendido controlado y apagado sin control: SCR,

TRIAC. Esto significa que una vez que ha entrado en conduccin, desde

el terminal de compuerta no se puede hacer nada para llevarlo al estado

de apagado. En el caso de que la fuente de energa VF sea DC, el

dispositivo queda enganchado en conduccin de forma indefinida hasta

que por algn medio se interrumpa la corriente de potencia que circula

entre nodo y ctodo. Esta caracterstica los hace tiles en circuitos de

alarma. Cuando la fuente de energa es AC, por la misma naturaleza de la

corriente alterna, al pasar del semiciclo positivo al negativo la corriente

nodo ctodo se hace cero y adems el dispositivo queda polarizado

inversamente, es decir, el nodo con menor tensin que el ctodo,

entonces de forma natural el dispositivo se apaga (Vase la figura 14).

Dispositivos con caractersticas de encendido y apagado

controlado: BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT, SITH. Esto significa que el

encendido y apagado del dispositivo se puede controlar en cualquier

momento desde el terminal de compuerta (Vase las figuras 13, 13 y 15)

1.4 CAMPOS DE APLICACION DE LA ELECTRNICA DE POTENCIA

Las aplicaciones de la electrnica de potencia son considerables. Pero, para

tener una idea, las aplicaciones se pueden clasificar de acuerdo a la potencia

elctrica manejada de la siguiente manera:

Baja Potencia (menor a 100 W):

- Alarmas

- Balastos electrnicos

- Fuentes de alimentacin DC

- Herramientas elctricas



14

Media Potencia (entre 100 W y 1 KW):

- Cargadores de bateras

- Secadores

- Reguladores de velocidad (taladros)

- Cobijas elctricas

- Lavadoras

Alta Potencia (entre 1 KW y 100 KW):

- Hornos de induccin

- Accionadores para locomotoras

- Secadoras

- Soldadura automtica

- Equipos de Rayos X

- Equipos Lser

La figura 16, muestra un equipo de RX, donde se requieren tensiones DC del

orden de los 150 KV, para alimentar el tubo de RX y obtener imgenes del

cuerpo humano.

Figura 16. Equipo de Rayos X



15

Muy Alta Potencia (entre 100 KW y 1 MW):

- Inversores para generadores

- Corriente directa de alto voltaje (HVDC)

- Aceleradores de partculas

- Trenes elctricos de alta velocidad

La figura 17, muestra un acelerador lineal de partculas (LINAC), empleado

en radioterapia en tratamientos contra el cncer y en donde se utilizan las

tcnicas de la electrnica de potencia.

Figura 17. Equipo de Radioterapia

La figura 18 presenta el universo de aplicaciones actuales de los dispositivos de

conmutacin de potencia, en donde se relaciona la capacidad de potencia

manejada en volta-amperios (VA) versus la frecuencia de conmutacin en Hz.



16

Figura 18. Campos de aplicacin de los dispositivos de conmutacin

1.5 CLASIFICACION DE LOS CIRCUITOS ELECTRNICOS DE POTENCIA

Aprovechando las caractersticas de conmutacin de los dispositivos

semiconductores de potencia, se puede controlar la potencia elctrica de una

forma a otra de acuerdo con las necesidades de la carga. La figura 19, muestra

todas las posibilidades de conversin de potencia elctrica.

Figura 19. Conversiones de potencia elctrica

FRECUENCIA DE CONMUTACION (Hz)

POTENCIA

MANEJADA



17

Los circuitos que convierten AC en DC se denominan rectificadores.

Cuando funcionan con base en diodos se les denominara

rectificadores no controlados, cuando funcionan con base a tiristores

(SCR, GTO) se les denomina rectificadores controlados o convertidores

AC-DC y rectificadores semicontrolados cuando emplean diodos y

tiristores. Su propsito es eliminar un semiciclo de la corriente sinusoidal

o que en la carga ambos semiciclos sean de la misma polaridad para que

el valor promedio de esta nueva tensin sea diferente de cero. El voltaje

de entrada al rectificador puede ser monofsico o trifsico. Puede que se

utilice transformador para aumentar o disminuir la tensin de entrada y

acondicionarla a las necesidades de la carga (Vase la figura 20).

Figura 20. Tipos de rectificadores

Los circuitos que convierten DC en AC se denominan inversores. Se

utilizan para alimentar cargas AC a partir de fuentes DC. Los inversores

pueden ser monofsicos o trifsicos. La figura 21 muestra la concepcin

de tales circuitos. En la mayora de los casos los dispositivos de

conmutacin son transistores BJT o MOSFET y la onda seno de salida

del inversor se filtra para obtener una onda seno pura.



18

Figura 21. Principio del circuito inversor

Los circuitos que convierten AC en AC se denominan convertidores

AC-AC y pueden tener dos aplicaciones. La primera dejando la frecuencia

constante y modificando el valor RMS de la tensin alterna, se les

denomina, controladores de fase. La segunda aplicacin es dejando el

valor RMS constante y modificando la frecuencia, se les denomina

cicloconvertidores. Los convertidores AC-AC pueden ser monofsicos o

trifsicos. La figura 22 muestra un controlador de fase monofsico.

Figura 22. Principio del circuito control de fase

VF

++++

----

++++

----

++++

----

++++

----

tiempotiempo

VC VO

VC

VOVF

-VF

++++

----

++++

----



19

Los circuitos que convierten DC en DC se denominan pulsadores DC.

Existen dos tipos de estos convertidores: reductores y elevadores. La

figura 23 muestra un convertidor DC-DC reductor.

Figura 23. Principio del circuito convertidor DC-DC reductor

El interruptor por lo general es un BJT o un MOSFET y el voltaje de salida

Vo es igual al producto entre el ciclo de trabajo (Ton/T) y el voltaje de la

fuente de alimentacin Vg.

Todos los anteriores circuitos mencionados anteriormente, efectan

conversin de potencia elctrica cambiando la forma del voltaje de la

fuente de energa, pero los circuitos interruptores estticos no hacen

conversin, sino, como su nombre lo indica actan como elementos

conmutadores todo o nada, similares a los de naturaleza mecnica. Se

les denomina estticos ya que no hay piezas mecnicas en movimiento.

Los hay de dos tipos, para aplicaciones DC y AC (monofsicos y

trifsicos). La figura 24 muestra los circuitos bsicos de los interruptores

estticos DC y AC monofsicos.



20

Figura 24. Principio de los circuitos interruptores estticos DC y AC

2. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON DIODOS DE POTENCIA

Como ya se describi anteriormente el propsito de un circuito rectificador es el

tomar una onda sinusoidal (AC) y convertirla en una onda unidireccional o de

una sola polaridad. Los circuitos rectificadores se pueden clasificar en

rectificadores de media onda y de onda completa ya sean monofsicos o

trifsicos. Antes de entrar a los detalles de funcionamiento de tales circuitos, es

necesario primero hacer un breve repaso del principio de funcionamiento de los

diodos rectificadores y sus parmetros de seleccin ya que esta funcin es

propia de los ingenieros electrnicos cuando disean y construyen o cuando

hacen mantenimiento a este tipo de circuitos.

2.1 DIODOS RECTIFICADORES

2.1.1 TIPOS DE ENCAPSULADO

Los diodos que se estudiaran en este apartado sern los rectificadores de baja

frecuencia (60 Hz) ya que son los ms utilizados en electrnica de potencia y se

dejaran de lado los diodos rpidos (fast) y los Schotkky, ya que en la mayora de

sus aplicaciones son reemplazados sobresalientemente por tiristores y

dispositivos BJT, MOSFET e IGBT. La figura 25 presenta los diferentes tipos de

encapsulados empleados en los diodos de potencia. En el caso de los diodos

rectificadores de baja frecuencia, los encapsulados mas empleados son el de

tipo cermico para aplicaciones de alta tensin y corriente, el de tipo tornillo para

aplicaciones de bajo voltaje y corriente y el de tornillo con cable de extensin

para aplicaciones de media tensin y corriente.

INTERRUPTOR ESTATICO DC

INTERRUPTOR ESTATICO AC MONOFASICO



21

Figura 25. Tipos de encapsulado de diodos rectificadores de potencia

2.1.2 CARACTERISTICAS ESTATICAS

Se refieren al comportamiento del diodo en los estados de encendido

(conduccin, ON) y apagado (bloqueo, OFF) trabajando en baja frecuencia en

donde los tiempos de recuperacin directa e inversa (caractersticas dinmicas)

no se toman en cuenta, ya que no son relevantes en esta condicin. La figura 26

muestra la curva caracterstica de un diodo rectificador modelado de forma real.

Figura 26. Curva caracterstica de los diodos rectificadores de potencia



22

El cuadrante I, presenta el comportamiento cuando el diodo se encuentra

polarizado directamente y por lo tanto se encuentra encendido y el cuadrante III,

cuando se encuentra polarizado inversamente y por lo tanto se encuentra

apagado. Tambin muestra los circuitos que lo modelan en llos estados

mencionados anteriormente de forma respectiva.

Los parmetros de seleccin de un diodo rectificador de baja frecuencia

bsicamente son los siguientes:

Del estado de encendido:

1. Intensidad medio nominal (IFAV) o IDC: Es el mximo valor promedio de

la corriente que el diodo puede soportar a determinada temperatura

del encapsulado (normalmente a 110 C mximo). Se calcula con la

formula de la ecuacin 1:

2. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): Mxima intensidad que puede ser

soportada cada 16.7 ms (60 Hz) por tiempo indefinido, con duracin de

pico de 1 ms a determinada temperatura del encapsulado (normalmente a

110 C mximo)

Del estado de apagado:

3. Tensin inversa de trabajo (VRRM): Tensin inversa mxima que puede

ser soportada por el diodo en picos de 1 ms repetidos cada 8.3 ms por

tiempo indefinido sin peligro de avalancha.

2.2 TENSIONES DE FASE DE UNA RED TRIFASICA

En este punto es necesario hacer un breve repaso del principio de

funcionamiento de una red AC trifsica. La figura 27 muestra los voltajes de fase

trifsicos medidos con respecto al neutro. Las fases se denominan R, S y T y el

neutro N. La fase R (color rojo) parte del origen de la base de tiempos y por lo

tanto su ngulo de fase es cero. La fase S (color azul) se encuentra atrasada

con respecto a R 120, es decir que inicia a partir 2pi/3 radianes. La fase T (color

(ECUACION 1)0

T___ i(t) dt ;1

T



23

marrn) se encuentra atrasada con respecto a R 240, que es igual a estar

adelantada 120, es decir que inicia a partir de 4pi/3 radianes.

Figura 27. Tensiones de fase

Las ecuaciones que describen el comportamiento senoidal de la corriente alterna

son las siguientes:

VR = VMF sen t; (Ecuacin 2),

VS = VMF sen (t 120); (Ecuacin 3),

VT = VMF sen (t + 120); (Ecuacin 4),

Donde VMF, es el voltaje pico de la onda seno y es igual a: 2 VRMS. En

Colombia, en instalaciones residenciales e industriales de baja tensin el valor

RMS de las tensiones de fase es de 120 V y por lo tanto el pico es de 170 V

aproximadamente. As mismo, , es la velocidad angular medida en radianes

por segundo y es igual a 2pif, donde f, es la frecuencia lineal y en nuestro pas

esta es de 60 Hz. En conclusin:

VMF = 2 VRMS; (Ecuacin 5),

= 2pif; (Ecuacin 6).



24

2.3 RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA

No se considerar en este apartado los rectificadores monofsico de media onda

y onda completa ya que estn suficientemente explicados en la literatura de

electrnica general, mas bien se estudiaran los rectificadores trifsicos. La figura

28 muestra como a partir de la red trifsica AC se rectifica y se entrega corriente

continua a motores DC, hornos de induccin, hornos de fundicin, procesos

electrolticos de galvanoplastia, etc.

Como el rectificador trifsico de media onda trabaja con voltajes de fase se har

una breve repaso de los sistemas elctricos trifsicos.

Figura 28. Concepcin de un rectificador trifsico

Las ventajas de los rectificadores trifsicos con respecto a los monofsicos son

las siguientes:

Mayor potencia de salida

Mayor tensin DC a la salida

Menor rizado en la tensin de salida

Menores exigencias para el filtro de salida

Mejor factor de potencia



25

La figura 29 muestra un rectificador trifsico de media onda con carga resistiva.

Figura 29. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva

Con respecto a la figura 29 se pueden hacer las siguientes observaciones:

El transformador empleado es del tipo estrella estrella (Y-Y).

Un transformador trifsico equivale a conectar a 3 monofsicos.

El punto comn de los arrollamientos secundarios es el neutro, N.

Si solo se usara un arrollamiento secundario, se tendra un rectificador

monofsico de media onda.

El rectificador trifsico de media onda consiste en conectar tres

rectificadores monofsicos de media onda en paralelo.

Cuando cualquiera de los diodos conduce a la carga le queda conectada

la fase respectiva, por lo tanto en este tipo de rectificador, se trabaja con

tensiones de fase.

Solo un diodo conduce a la vez, ya que si lo hicieran dos o tres al mismo

tiempo se presentara un cortocircuito.

La figura 30, muestra la condicin para que el diodo D1 entre en conduccin y le

quede aplicada a la carga la fase R.

N



26

Figura 30. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva. Diodo 1 en conduccin

Anlisis del intervalo 30 (pi/6 radianes) hasta los 150 (5 pi/6 radianes):

La fase R se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los

mayores valores de tensin, por lo tanto el diodo D1 es el que queda

polarizado directamente y entra en conduccin (ON).

La fase S se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D2

se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado

(OFF).

La fase T, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo

positivo, como D1 conduce, al ctodo D2 le queda la fase R con mayor

tensin que su nodo y por lo tanto queda polarizado inversamente

(OFF).

El diodo D1 conduce durante 120.



27


quede aplicada a la carga la fase S.


Anlisis del intervalo 150 (5pi/6 radianes) hasta los 270 (3pi/2 radianes):

La fase S se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los



La fase T se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D3


(OFF).

La fase R, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo

positivo, como D2 conduce, al ctodo D1 le queda la fase S con mayor


(OFF).




28


quede aplicada a la carga la fase T.


Anlisis del intervalo 270 (3pi/2 radianes) hasta los 390 (pi/6 radianes):

La fase T se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los



La fase R se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D1


(OFF).

La fase S, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo

positivo, como D3 conduce, al ctodo D2 le queda la fase T con mayor


(OFF).




29

La figura 33 sirve para calcular el valor DC de la tensin de salida del rectificador

de media onda con carga resistiva.

Figura 33. Onda de salida del Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva.

Para calcular el valor promedio (VDC) de una tensin se utiliza la siguiente

ecuacin:

Para aplicar esta ecuacin es necesario determinar el periodo en

radianes, como se muestra a continuacin:

T = 5pi/6 - pi/6 = 2pi/3 radianes

Lo anterior implica que el periodo de la onda rectificada es 1/3 de la onda

seno de cualquiera de las fases y por lo tanto la frecuencia es tres veces

mayor, es decir, 180 Hz.

Para aplicar la ecuacin 7 se utilizara la ecuacin de tensin de la fase R,

integrada entre los lmites pi/6 y 5pi/6.

VDC =

VMF

VMF VMF VMF

VMF

(ECUACION 7)0

T___ V(t) dt ;1

TVDC =



30

Resolviendo la ecuacin 8 se obtiene el valor promedio o DC de la tensin de

salida del rectificador trifsico de media onda con carga resistiva:

Recordando que el valor DC de la tensin de salida de un rectificador

monofsico de onda completa es 2VMF / pi, entonces, la tensin de salida del

rectificador trifsico de media onda es 1.3 veces mas grande, es decir, al

emplear un rectificador trifsico de media onda se logra un aumento del 30%, lo

cual justifica utilizarlo.

Ahora se puede calcular el valor de la corriente DC que circula por la carga RL

de la siguiente manera:

IDC = VDC / RL ; (Ecuacin 10)

Tambin es importante calcular el valor DC de la corriente a travs de los diodos

(IDDC) ya que este es un parmetro de seleccin (IFAV). Como los tres diodos

estn conectados al mismo nodo de la carga y como las tensiones de la fase

tienen la misma magnitud, la corriente DC por estos es 1/3 de la corriente DC

por la carga:

IDDC = VDC /(3 RL ); (Ecuacin 11)

Se calcular ahora el valor eficaz o RMS de la corriente por cada diodo que

corresponde a la corriente por fase de cada devanado secundario del

transformador que sirve para determinar el calibre del conductor de los mismos y

tambin para determinar la potencia del secundario. En radianes el periodo de la

corriente por los diodos es 2pi radianes, por lo tanto la corriente eficaz por el

diodo 1 correspondiente a la fase R es:

(ECUACION 8)pi/6

5pi/6____ VMF sen t dt ;1

2pi/3VDC =

(ECUACION 9)____VMF ; 3 3

2piVDC =



31

Resolviendo la ecuacin 12 se obtiene:

IDRMS = 0.4854 IMF; (Ecuacin 13), donde IMF esta dado por:

IMF = VMF / RL; (Ecuacin 14), La especificacin en potencia aparente S en VA del transformador suponiendo

que es ideal (cero perdidas de potencia) ser:

S = 3 VFRMS IDRMS = 2.06 VFRMS2 / RL ; (Ecuacin 15).

Es importante analizar ahora las tensiones de polarizacin inversa que soportan

los diodos del rectificador cuando se encuentras apagados (OFF) para

asegurarse de que no entraran en avalancha al exceder el lmite de (VRRM).

La figura 34 muestra la condicin del circuito cuando el diodo D1 se encuentra

abierto debido a que D2 conduce, durante el intervalo 5pi/6 y 3pi/2.

Figura 34. Tensin de polarizacin inversa del diodo D1 cuando D2 conduce.

En este caso la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la

del ctodo es la de la fase S, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y

ctodo es VRS , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,

(ECUACION 12 )pi /6

5pi /6____ (IMF sen t)2 dt ;

1

2piIDRMS = [ ]

1 /2



32

que es 3 veces mayor que una tensin de fase, como se explicar en el

apartado siguiente.


abierto debido a que D3 conduce, durante el intervalo 3pi/2 y pi/6.



del ctodo es la de la fase T, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y

ctodo es VRT , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,

que es 3 veces mayor que una tensin de fase.

En vista de lo anterior, la mxima tensin de pico inverso es:

VRRM = 3 VMF ; (Ecuacin 16)

La figura 36 muestra los valores del factor de forma (FF) que se considera como

una medida de la tensin de salida en donde se halla el cociente entre el valor

RMS y el DC. Tambin se muestra el valor del factor de la componente

ondulatoria definida como el cociente entre el valor eficaz de todas las

componentes sinusoidales que conforman la onda (serie trigonomtrica de

Fourier) y el valor DC.



33

Figura 36. Factor de Forma y Factor de Rizado

2.4 TENSIONES DE LINEA DE UNA RED TRIFASICA

Las cargas trifsicas se pueden conectar entre las fases y el neutro, como se

conect el transformador en el rectificador trifsico de media onda, en este caso

se dice que la carga est alimentada por voltajes de fase. Tambin se pueden

conectar entre las fases sin utilizar el neutro, en este caso se dice que la carga

est alimentada por los voltajes de lnea VRS, VST y VTR. La figura 37 ilustra como

se obtienen los voltajes de lnea a partir de los de fase y la relacin entre estos.

Como puede observarse una tensin de lnea se obtienen a partir de las

diferencias entre dos tensiones de fase.

VRS = VR - VS = 3 VMF sen (t + 30); (Ecuacin 17),

VST = VS VT = 3 VMF sen (t - 30); (Ecuacin 18),

VTR = VT VR = 3 VMF sen (t + 150); (Ecuacin 19),

VORMS

VODC VMF

VMF

VMF



34

De las ecuaciones anteriores se puede concluir:

Que las tensiones de lnea son 3 veces ms grandes que las de fase,

por eso en Colombia, como el voltaje de fase es de 120 V RMS, el voltaje

de lnea es de 208 V RMS aproximadamente.

Las tensiones de lnea adelantan a las de fase en 30.

Las tensiones de lnea al igual que las de fase se encuentran defasadas

entre si 120.

Figura 37. Tensiones de lnea de una red trifsica

2.5 RECTIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA

La figura 38 muestra el circuito de un rectificador trifsico de onda completa,

denominado tambin puente rectificador trifsico.

Este circuito rectificador tiene las siguientes caractersticas:

Se emplean 6 diodos.

Dos diodos conducen al mismo tiempo y aplican a la carga tensiones de

lnea, no de fase, por lo tanto, el valor DC de la tensin en la carga ser

mayor que el producido por el puente rectificador de media onda.

Cuando se emplea transformador, el secundario se conecta en estrella,

para aumentar las tensiones de lnea.

Presenta menor tensin de rizado.



35

La frecuencia es 6 veces mayor que la de la red, es decir que en

Colombia, la frecuencia de la onda de salida de este tipo de rectificador

es de 360 Hz.

Figura 38. Puente rectificador trifsico

El proceso de conduccin es el siguiente:

1) Cuando D1 conduce la corriente sale de la fase R, pasa por D1, atraviesa

la carga y cuando retorna a travs del diodo D5, la tensin aplicada a la

carga es la tensin de lnea VRS. Cuando retorna a travs del diodo D6, la

tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VRT.

2) Cuando D2 conduce la corriente sale de la fase S, pasa por D2, atraviesa


carga es la tensin de lnea VST. Cuando retorna a travs del diodo D4, la

tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VSR.

3) Cuando D3 conduce la corriente sale de la fase T, pasa por D3, atraviesa


carga es la tensin de lnea VTS. Cuando retorna a travs del diodo D4, la

tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VTR.



36

La figura 39 muestra la tensin de salida rectificada en la carga, mostrando los

intervalos de conduccin de los diodos.

Figura 39. Onda de salida del puente rectificador trifsico

La figura 39 se construye de la siguiente manera:

1) Se dibujan primero los voltajes de lnea VRS, VST y VTR de acuerdo con las

ecuaciones 17 a 19.

2) Se dibujan los voltajes desfasados 180 de cada uno de los voltajes de

lnea dibujados en el paso 1 y que corresponden a: VSR, VTS y VRT,

respectivamente.

La figura 40, muestra la condicin para que los diodos D1 y D5 entren en

conduccin y le quede aplicada a la carga la tensin de lnea VRS, durante el

intervalo 30 (pi/6 radianes) y 90 (pi/2 radianes).

Como se puede concluir, los diodos 1 al 3 se polarizan por la tensin de fase

ms positiva y los diodos 4 al 6 por la tensin de fase ms negativa. En este

caso, durante el intervalo que se esta analizando, la fase R es la mas positiva y

la S la mas negativa, por eso conducen D1 y D5 y por lo tanto la tensin en la

carga es el voltaje de lnea VRS.



37

Figura 40. Condicin de condicin de los Diodos D1 y D5 en el puente rectificador trifsico

A partir de 90 (pi/2 radianes) y hasta los 150 (5pi/6 radianes), la fase R sigue

siendo la ms positiva, pero ahora la fase T se convierte en la ms negativa, por

lo tanto D5 deja de conducir y lo hace ahora D6 y por lo tanto la tensin en la

carga es el voltaje de lnea VRT, como se muestra en la figura 41.

A partir de los 150 (5pi/6 radianes) hasta 210 (7pi/6 radianes), la fase ms

positiva es ahora S y T sigue siendo la ms negativa, por lo tanto los diodos

que conducen son D2 y D6 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la

carga es el voltaje de lnea VST, como se muestra en la figura 42.


positiva sigue siendo S y R es ahora la ms negativa, por lo tanto los diodos


carga es el voltaje de lnea VSR.


positiva es ahora T y R sigue siendo la ms negativa, por lo tanto los diodos



38


carga es el voltaje de lnea VTR





39

A partir de los 330 (11pi/6 radianes) hasta 30 (pi/6 radianes), la fase ms

positiva sigue siendo T y S es ahora la ms negativa, por lo tanto los diodos que

conducen son D3 y D5 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la

carga es el voltaje de lnea VTS. La figura 43 muestra finalmente la tensin rectificada en la carga, con la

informacin de que diodos conducen por cada intervalo y por lo tanto sirve para

calcular el valor DC de la tensin de salida del puente rectificador trifsico con

carga resistiva.

Figura 43. Tensin de salida del puente rectificador trifsico

Para calcular el valor promedio (VDC) de una tensin se utiliza la ecuacin 7.

Para aplicar esta ecuacin es necesario determinar el periodo en

radianes, como se muestra a continuacin:

T = 3pi/6 - pi/6 = pi/3 radianes

Lo anterior implica que el periodo de la onda rectificada es 1/6 de la onda

seno de cualquiera de las fases y por lo tanto la frecuencia es 6 veces

mayor, es decir, 360 Hz.

Para aplicar la ecuacin 7 se utilizara la ecuacin de tensin de lnea VRS,

integrada entre los lmites pi/6 y pi/2.

VDC = VRS VMF VMF

VMF



40

Resolviendo la ecuacin 20 se obtiene el valor promedio o DC de la tensin de

salida del rectificador trifsico de onda completa con carga resistiva:

Comparando la ecuacin 9 con ecuacin 21, se puede concluir que la tensin

DC del puente rectificador trifsico es el doble de la del rectificador trifsico de

media onda con lo que se logra un aumento del 100%, lo cual justifica utilizarlo.

Ahora se puede calcular el valor de la corriente DC que circula por la carga RL

de la siguiente manera:

IDC = VDC / RL ; (Ecuacin 22)

Tambin es importante calcular el valor DC de la corriente a travs de los diodos

(IDDC) ya que este es un parmetro de seleccin (IFAV). Como los tres diodos

estn conectados al mismo nodo de la carga y como las tensiones de lnea

tienen la misma magnitud, la corriente DC por estos es 1/3 de la corriente DC

por la carga:

IDDC = VDC /(3 RL ); (Ecuacin 23)

La figura 44 muestra la forma de la corriente por los diodos, en este caso para el

diodo D1. Se puede observar como en el periodo entre pi/6 y 3pi/6 conducen los

diodos D1 y D5 y durante el periodo 3pi/6 y 5pi/6 conducen los diodos D1 y D6,

lo que implica que cada diodo conduce durante 4pi/6 radianes o sea 120. El

periodo de las corrientes por los diodos es de 2pi radianes o 360. Adems, el

valor pico de la corriente por los diodos esta dada por la siguiente ecuacin:

IMD = 3 VMF / RL ; (Ecuacin 24)

(ECUACION 20)pi/6

pi2____ 3 VMF sen (t + 30) dt ;1

pi/3VDC =

(ECUACION 21)____VMF ; 3 3

piVDC =



41

Figura 44. Forma de onda de la corriente por el diodo D1.

Se calcular ahora el valor eficaz o RMS de la corriente por lnea de cada

devanado secundario del transformador que sirve para determinar el calibre del

conductor de los mismos y tambin para determinar la potencia del secundario.

La figura 45 muestra la onda de corriente por la fase R.

Figura 45. Forma de onda de la corriente por la fase R.

En radianes el periodo de la corriente de la figura 45 es 2pi radianes, por lo tanto

la corriente eficaz correspondiente a la fase R es:

Resolviendo la ecuacin 25 se obtiene:

IFRMS = 0.7804 IMD; (Ecuacin 26) La especificacin en potencia aparente S en VA del transformador suponiendo

que es ideal (cero perdidas de potencia) ser:

S = 3 VFRMS IFRMS = 5.73 VFRMS2 / RL ; (Ecuacin 27).

pi/6 5pi/6 13pi/6

RS RT RS

pi/6 5pi/63pi/6

RS RT RSRSI D1

3 VMFRL

t0

pi/6 5pi/6

TRST SR TS

3pi/6

7pi/6 9pi/6 11pi/6

IRRS RTI R3 VMFRL

-3 VMFRL

t

(ECUACION 25)pi/6

pi/2____ (IMD sen (t+30))2 dt;4

2piIFRMS = [ ]

1/2



42

Es importante analizar ahora las tensiones de polarizacin inversa que soportan

los diodos del rectificador cuando se encuentras apagados (OFF) para

asegurarse de que no entraran en avalancha al exceder el lmite de (VRRM).


abierto debido a que D2 conduce, durante el intervalo 5pi/6 y 9pi/6.



del ctodo es la de la fase S, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y

ctodo es VRS , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,

que es 3 veces mayor que una tensin de fase, como ya se explic

anteriormente.


abierto debido a que D3 conduce, durante el intervalo 3pi/2 y pi/6. En este caso

la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la del ctodo

es la de la fase T, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y ctodo es

VRT , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico, que es 3

veces mayor que una tensin de fase.



43


En vista de lo anterior, la mxima tensin de pico inverso es:

VRRM = 3 VMF ; (Ecuacin 28)

La figura 48 muestra los valores del factor de forma (FF) y el rizado de la onda

de voltaje de salida del puente rectificador trifsico.

Figura 48. Factor de Forma y Factor de Rizado

VORMS

VODC VMF

VMF



44

3. FUNCIONAMIENTO DE LOS TIRISTORES

Un tiristor es uno de los tipos ms importantes de los dispositivos

semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los

circuitos electrnicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables,

pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas

aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o

conmutadores ideales, aunque los tiristores prcticos exhiben ciertas

caractersticas y limitaciones. Se estudia en este capitulo al tiristor mas

empleado en la industria, el SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

3.1 ESTRUCTURA DEL TIRISTOR

El tiristor (SCR) es un dispositivo semiconductor biestable de cuatro capas,

PNPN de tres terminales: nodo (A), ctodo (K) y puerta (G). Puede conmutar

de bloqueo a conduccin, o viceversa, en un solo cuadrante. La figura 49,

muestra la estructura interna en funcin de las uniones PN, su equivalente en

transistores BJT y su smbolo.

Figura 49. Estructura interna y smbolo del tiristor.



45

3.2 CARACTERISTICA TENSION CORRIENTE

La curva caracterstica del tiristor se muestra en la figura 50 y en ella se pueden

identificar las siguientes zonas de funcionamiento:

Zona de bloqueo inverso (VAK < 0):

El SCR se encuentra bloqueado (circuito abierto) y solo lo recorre una dbil

corriente de fuga inversa (IRRM). No se debe sobrepasar la tensin inversa

mxima (VRRM), ya que entra en avalancha y se destruye trmicamente.

Zona de bloqueo directo (VAK > 0; sin excitar la puerta):

El SCR se encuentra bloqueado. Solo lo recorre una dbil corriente de fuga

directa (IDRM). No se debe sobrepasar la tensin directa mxima (VDRM), pues

entra en conduccin sin accin de control en la puerta.

Figura 50. Curva tensin-corriente del tiristor.

Zona de conduccin (VAK > 0; puerta excitada):

El SCR conduce (cortocircuito). Entre la puerta (G) y el ctodo (K) circula un

impulso positivo de corriente. La duracin del impulso de cebado ser lo

suficiente para que la corriente nodo-ctodo (IT) sea igual a la corriente de

enganche, IL. Mientras el SCR conduce, se comporta como un diodo rectificador.

CORRIENTE DE FUGA DIRECTACORRIENTE DE

FUGA INVERSA

VOLTAJE DE RUPTURA DIRECTO

VOLTAJE DE RUPTURA DIRECTO

DISPARO DE PUERTA

CAIDA DE TENSIN DIRECTA

(CONDUCCION)CORRIENTE DE ENGANCHE

CORRIENTE DE MANTENIMIENTO



46

Es importante tener en cuenta que el SCR se bloquea cuando la corriente

directa (IT) es menor que la corriente de mantenimiento (IH), en cuyo caso la

puerta pierde todo poder sobre el SCR.

El tiristor, tiene las siguientes caractersticas generales:

Interruptor casi ideal.

Soporta tensiones altas cuando se encuentra polarizado inversamente.

Es capaz de controlar grandes potencias.

Fcil controlabilidad, por intermedio de la puerta.

Relativa rapidez de conmutacin.

3.3 CAUSAS DE DISPARO DEL TIRISTOR

Para producir el disparo del SCR, la corriente nodo-ctodo, IT, debe ser mayor

que la de enganche, IL. Para mantenerse en la zona de conduccin, por el SCR

debe circular una corriente mayor a la de mantenimiento, IH, por debajo de la

cual el SCR se bloquea. Hay dos tipos de disparo: los no deseados y los

deseados, es decir, los producidos por pulsos de puerta.

3.3.1 DISPAROS NO DESEADOS

Se presentan por exceso en la tensin aplicada entre nodo y ctodo y por

variacin brusca de la misma (dv/dt).

Por exceso de tensin: Si la tensin soportada por la unin de control se

acerca al valor de ruptura directa, la corriente de portadores minoritarios

aumenta considerablemente presentndose la corriente de avalancha. Si

la corriente de fugas se eleva por encima del valor de la corriente de

mantenimiento el SCR es capaz de mantener el estado de conduccin tal

como se ilustra en la figura 51.

Por dVAK/dt: Si se produce un cambio brusco de polarizacin inversa a

directa, no hay tiempo para la organizacin de cargas. La tensin

soportada por la unin de control ser elevada, acelerando de esta

manera los portadores minoritarios. Si esta corriente aumenta por encima

de la corriente de mantenimiento, el SCR se mantiene en conduccin tal

como lo muestra la figura 52.



47

Figura 51. Disparo no deseado por exceso de tensin

Figura 52. Disparo no deseado por dv/dt

3.3.2 DISPAROS DESEADOS O POR PULSOS DE PUERTA

Los huecos inyectados por el terminal de puerta, generan la inyeccin de una

nube de electrones libre desde el ctodo. Algunos electrones son captados y

acelerados hacia la unin de bloqueo, generando pares electrn-hueco. Estos

huecos generados se dirigen hacia el ctodo introduciendo as ms electrones.

Si la corriente generada se aumenta por encima de la de enganche, el SCR es

capaz de mantener el estado de conduccin aunque desaparezca el pulso de

puerta, tal como se muestra en la figura 53. La corriente de puerta deber tener

un mnimo valor de amplitud y una mnima duracin para que logre poner en

conduccin al tiristor, cuando este se encuentra polarizado directamente. En la

figuras 54 y 55 se ilustra este principio para cargas resistivas e inductivas

respectivamente.



48

Figura 53. Disparo por corriente de puerta

Figura 54. Comportamiento del tiempo de disparo con carga resistiva

El tiempo de retardo a la excitacin, tr, se mide a partir del momento en que la

corriente de puerta, IG, alcanza su mnimo valor hasta que la corriente por el

tiristor, IT, alcanza el 10% de su valor final. El tiempo de subida, ts, se mide a



49

partir del momento en que termina tr hasta que IT alcanza el 90% de su valor

final. El tiempo de disparo, td, es la suma de los dos tiempos anteriores. La

duracin del pulso de puerta debe ser mayor a td.

Figura 55. Comportamiento del tiempo de disparo con carga inductiva

El tiempo mnimo del pulso de puerta en este caso debe ser mayor al tiempo que

la corriente del tiristor se tarda en alcanzar el valor de la corriente de

enclavamiento o enganche. Obsrvese que en este caso, este tiempo

depender de la constante de tiempo RL.

3.4 CIRCUITOS DE DISPARO

Los circuitos de disparo, son los encargados de generar los pulsos de puerta

positivos, cuando el SCR se encuentra polarizado directamente, para lograr el

enganche del tiristor. Pueden ser circuitos de electrnica cableada o

microcontrolada. De acuerdo a la manera como se acopla el circuito de disparo

con la puerta se clasifican en:

Acoplamiento directo

Acoplamiento magntico

Acoplamiento ptico



50

3.4.1 ACOPLAMIENTO DIRECTO

La figura 56, muestra un circuito de disparo acoplado directamente a la puerta

del SCR. Cuando el circuito de control no esta generando un pulso, el transistor

BJT NPN se encuentra en corte y lo mismo el PNP. En este caso, no hay tensin

en el divisor de tensin conectado a la puerta y por lo tanto no hay disparo.

Cuando se genera el pulso, el transistor NPN entra en saturacin, colocando la

base del transistor PNP a tierra y entrando tambin en saturacin, quedando el

divisor de tensin conectado a la fuente de alimentacin Vcc y por lo tanto la

puerta recibe un pulso de voltaje que generar la corriente de puerta.

Figura 56. Acoplamiento directo entre el circuito de disparo y la puerta

3.4.2 ACOPLAMIENTO MAGNETICO

La figura 57, muestra el acoplamiento magntico entre el circuito de disparo y la

puerta. En este caso la tierra del SCR y la del circuito de control son

independientes. Esto es importante para aislar elctricamente el circuito de

disparo del SCR y evitar que pueda llegar a daarse por fallas internas del

tiristor. El diodo en antiparalelo con el primario el transformador se emplea para

desmagnetizar el ncleo, cuando no hay pulso a la salida del circuito de control y

el transistor NPN pasara de saturacin a corte.



51

Figura 57. Acoplamiento magntico entre el circuito de disparo y la puerta

3.4.3 ACOPLAMIENTO OPTICO

La figura 58, muestra el acoplamiento ptico entre el circuito de disparo y la

puerta. Su finalidad es la misma que la del acoplamiento magntico.

Figura 58. Acoplamiento ptico entre el circuito de disparo y la puerta



52

3.5 CIRCUITOS DE APAGADO

El SCR en circuitos DC, una vez que entra en conduccin queda enganchado

indefinidamente, hasta que por medios externos se abra el circuito de potencia

para que la corriente del tiristor se haga cero (IT), o se le aplique una tensin

inversa al nodo-ctodo para obligarlo forzosamente a apagarse.

3.5.1 APAGADO POR CONTACTO MECANICO

Extincin del SCR interrumpiendo el circuito mediante un cortocircuito, tal como

se observa en la figura 59 (a, b), o introduciendo una corriente inversa usando

una fuente auxiliar, como lo muestra la figura59 (c) o un condensador cargado,

como lo presenta la figura 59 (d, e).

Figura 59. Apagado por contacto mecnico

3.5.2 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA

Se obliga a la corriente a pasar a travs del tiristor en sentido inverso,

consiguiendo un tiempo de apagado menor.

Existen dos tipos de conmutacin forzada:

Por autoconmutacin

Por medios exteriores

3.5.2.1 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA POR

AUTOCONMUTACION

Circuitos que apagan al SCR automticamente tras un tiempo predeterminado

desde la aplicacin del impulso de disparo. Los ms usados son:

Circuito oscilante LC en paralelo: Con el condensador cargado se produce el

disparo del SCR. Cuando el condensador se descarga sobre el SCR en



53

sentido directo, por oscilacin del circuito LC, el condensador se carga en

sentido opuesto hasta que IR (de carga) es menor que IT, entonces se

produce el apagado, tal como lo muestra la figura 60.

Figura 60. Apagado forzado por circuito LC paralelo

Circuito oscilante LC en serie: La corriente que circula al disparar el SCR

excita al circuito LC. Una vez terminado el primer semiciclo de la oscilacin,

la corriente se invierte y se apaga el SCR, tal como lo ilustra la figura 61.

Figura 61. Apagado forzado por circuito LC serie

3.5.2.2 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA POR MEDIOS

EXTERIORES

Circuitos que apagan al SCR sin depender del tiempo en que se produjo el

disparo. Los ms usados son:



54

Conmutacin por medio de Corriente Alterna: el SCR se apaga cada vez que

cambia el sentido de la tensin al semiciclo negativo, tal como se puede

apreciar en la figura 62.

Figura 62. Apagado por medio de AC

Conmutacin por tiristor auxiliar: si el tiristor uno (T1) conduce y el dos est

en corte (T2), entonces el condensador se carga por T1; cuando T2 conmuta

a conduccin, el tiristor T1 se bloquea y el condensador se carga por RL en

sentido inverso. Pasado un tiempo tq (>0.7 RL C), que depende de C y debe

ser mayor que el toff del SCR, la tensin en T1 (VT1) tiende a hacerse

positiva, como se presenta en la figura 63.

Figura 63. Apagado por tiristor auxiliar



55

3.6 CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS TIRISTORES

Los fabricantes de tiristores presentan en las hojas tcnicas de estos los

siguientes tipos de caractersticas:

Estticas

De control

Dinmicas

De conmutacin

3.6.1 CARACTERISTICAS ESTATICAS

Corresponden a la regin nodo-ctodo. Son aquellos valores que determinan

las posibilidades mximas de un determinado SCR. Estos datos son:

Tensin inversa de pico de trabajo............................................. VRWM

Tensin directa de pico repetitiva............................................... VDRM

Tensin directa............................................................................ VT

Corriente directa media............................................................... ITAV

Corriente directa eficaz............................................................... ITRMS

Corriente directa de fugas........................................................... IDRM

Corriente inversa de fugas.......................................................... IRRM

Corriente de mantenimiento........................................................ IH

Las caractersticas trmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:

Temperatura de la unin............................................................. Tj

Temperatura de almacenamiento................................................ Tstg

Resistencia trmica contenedor-disipador.................................. Rc-d

Resistencia trmica unin-contenedor........................................ Rj-c

Resistencia trmica unin-ambiente............................................ Rj-a

Impedancia trmica unin-contenedor......................................... Rj-c

3.6.2 CARACTERISTICAS DE CONTROL

Corresponden a la regin puerta-ctodo y determinan las propiedades del

circuito de control que responde mejor a las condiciones de disparo. Los

fabricantes definen las siguientes caractersticas:

Tensin directa mx. ................................................................... VGFM

Tensin inversa mx. ................................................................... VGRM



56

Corriente mxima.......................................................................... IGM

Potencia mxima......................................................................... PGM

Potencia media............................................................................ PGAV

Tensin puerta-ctodo para el encendido................................... VGT

Tensin residual mxima que no enciende ningn elemento..... VGNT

Corriente de puerta para el encendido........................................ IGT

Corriente residual mxima que no enciende ningn elemento ... IGNT

3.6.3 CARACTERISTICAS DINAMICAS

3.6.3.1 TENSIONES TRANSITORIAS

Valores de la tensin superpuestos a la seal de la fuente de alimentacin.

Son breves y de gran amplitud.

La tensin inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos

valores.

3.6.3.2 IMPULSOS DE CORRIENTE

Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los

cuales puede tolerarse una corriente de pico dada.

A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.

El tiempo mximo de cada impulso est limitado por la temperatura media de

la unin.

La figura 64, muestra lo explicado anteriormente.

Figura 64. Curva de limitacin de impulsos de corriente

3.6.3.3 NGULOS DE CONDUCCIN

La corriente y tensin media de un SCR dependen del ngulo de conduccin.

A mayor ngulo de conduccin, se obtiene a la salida mayor potencia.



57

Un mayor ngulo de bloqueo o disparo significa un menor ngulo de

conduccin:

ngulo de conduccin = 180 - Angulo de disparo

Conociendo la variacin de la potencia disipada en funcin de los diferentes

ngulos de conduccin se pueden calcular las protecciones necesarias.

La figura 65 muestra los conceptos de ngulo de disparo o bloqueo y ngulo de

conduccin.

Figura 65. ngulos de bloqueo y conduccin

3.6.4 CARACTERISTICAS DE CONMUTACION

Los tiristores no son interruptores perfectos, ya que necesitan un tiempo para

pasar de corte a conduccin y viceversa.

3.6.4.1 TIEMPO DE ENCENDIDO (TON)

Tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conduccin (Figura 66).

Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de

puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de nodo alcanza

el 10 % de su valor mximo.

Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de nodo pase

del 10 % al 90 % de su valor mximo, o, el paso de la cada de tensin en el

tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.

TON = td + tr



58

Figura 66. Tiempo de encendido (TON)

3.6.4.2 TIEMPO DE APAGADO (TOFF)

Tiempo que tarda el tiristor en pasar de conduccin a corte (Figura 67).

Tiempo de recuperacin inversa (trr): tiempo en el que las cargas

acumuladas en la conduccin del SCR, por polarizacin inversa de este, se

eliminan parcialmente.

Tiempo de recuperacin de puerta (tgr): tiempo en el que, en un nmero

suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusin,

permitiendo que la puerta recupere su capacidad de control.

TOFF = trr + tgr

Figura 67. Tiempo de apagado (TOFF)



59

3.7 LIMITACIONES DEL TIRISTOR

3.7.1 LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO

La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.

El lmite es atribuible a la duracin del proceso de apertura y cierre del

dispositivo.

La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.

3.7.2 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIN dv/dt

dv/dt es el valor mnimo de la pendiente de tensin por debajo del cual no se

producen picos transitorios de tensin de corta duracin, gran amplitud y

elevada velocidad de crecimiento.

A) CAUSAS

La alimentacin principal produce transitorios difciles de prever en aparicin,

duracin (inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.

Los contactores entre la alimentacin de tensin y el equipo: cuya apertura y

cierre pueden producir transitorios de elevada relacin dv/dt (hasta 1.000 V/s)

produciendo el basculamiento del dispositivo.

La conmutacin de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de

tensin.

B) EFECTOS

Puede provocar el encendido del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.

La dv/dt admisible vara con la temperatura.

3.7.3 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD di/dt

di/dt es el valor mnimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no

se producen puntos calientes.

A) CAUSAS

Durante el cebado, la zona de conduccin se reduce a una parte del ctodo

cerca de la puerta, si el circuito exterior impone un crecimiento rpido de la

intensidad, en esta zona la densidad de corriente puede alcanzar un gran valor.

Como el cristal no es homogneo, existen zonas donde la densidad de

Intensidad es mayor (puntos calientes).



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B) EFECTOS

En la conmutacin de bloqueo a conduccin la potencia instantnea puede

alcanzar valores muy altos.

La energa disipada producir un calentamiento que, de alcanzar el lmite

trmico crtico, podra destruir el dispositivo.

3.8 ESPECIFICACIONES TECNICAS DE TIRISTORES

A continuacin se presentan hojas tecnicas para seleccin de SCR y TRIAC

tomadas de http://onsemi.com



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4. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON TIRISTORES DE POTENCIA

En el capitulo dos se estudiaron los circuitos rectificadores con diodos. Tienen el

inconveniente de que el voltaje DC que entregan es fijo. Para obtener voltajes

DC variables, a partir de alimentaciones AC, se reemplazan los diodos por los

tiristores SCR, controlndose el ngulo de disparo. Esta solucin tiene

aplicaciones industriales, en procesos electroqumicos, control de iluminacin de

bombillas y control de velocidad de motores DC. A estos circuitos rectificadores



67

con SCR se les denomina tambin convertidores AC-DC. Se clasifican en

convertidores monofsicos y trifsicos.

4.1 CONVERTIDOR MONOFSICO AC-DC DE MEDIA ONDA

Consiste en el circuito de un rectificador monofsico de media onda, en donde el

diodo rectificador se ha reemplazado por un tiristor. La figura 68, muestra el

circuito, el primer cuadrante, es decir voltaje DC y corriente DC en la carga

positivos y las formas de onda respectivas.

Obsrvese cmo durante el semiciclo positivo de Vs, el tiristor se encuentra

polarizado directamente, pero no conduce hasta que al terminal de puerta se le

aplique un pulso o disparo de tensin en t = . A partir de ese momento, la

tensin Vs queda aplicada a la carga R el resto del semiciclo positivo hasta que

t = pi. A partir de ese momento se inicia el semiciclo negativo, quedando el

tiristor polarizado inversamente, apagndose o dejando de conducir de forma

natural, ya que adems la corriente del mismo, io, ha llegado a cero y ha

quedado por debajo de la corriente de mantenimiento. El SCR queda apagado

desde t = pi hasta t = 2pi.

Figura 68. Convertidor monofsico AC-DC media onda, carga resistiva



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El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de

Vo, de la siguiente manera:

La ecuacin 29, muestra como VDC, depende del ngulo de disparo . Cuando

=0, VDC, es mximo y equivale a Vm/pi, el mismo valor del rectificador de media

onda con diodo. Cuando =pi, VDC, es mnimo y equivale a cero.

El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de

Vo, de la siguiente manera:

La ecuacin 30, muestra como VRMS, depende del ngulo de disparo . Cuando

=0, VRMS, es mximo y equivale a Vm/2, el mismo valor del rectificador de

media onda con diodo. Cuando =pi, VDC, es mnimo y equivale a cero.

Los parmetros de seleccin del tiristor empleado como rectificador (no como

switch) son los sigui

modulo electronica industrial

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