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Objetivo *Conocer los distintos dispositivos de electrónica de potencia que existen , conocer su funcionalidad así mismo como las aplicaciones que tienen .

Marco Teórico: La Electrónica de Potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se los da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia. De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores.

Introducción Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triaca, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales. El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :   



Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad: Dispositivos no controlados: En este grupo se encuentran los Diodos Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.

Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, -SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) - TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.

Dispositivos totalmente controlados: -MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), - IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) - GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

Diodo de Potencia Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento, generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevada) Ánodo (A)

10 m

P+

Depende N-

de la tensión

N+

Catodo (K)

Dispositivos SemiControlados: SCR: Rectificador Controlado de Silicio De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR. El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia. Además, continúa siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia, es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente.

El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-. teniendo 3 terminales: ánodo A y cátodo K, por los cuales circula la corriente principal y la puerta que cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodocátodo CARACTERISTICAS En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. asi si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloque independientemente del signo de la tension V. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conduccion ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. la caida de tensión directa en el estado de conduccion ON es de pocos voltios 1-3 v. Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conduccion estado ON aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Unicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potenci, el SCR pasara a estado de bloqueo.

TRIAC: Triode of Alternating Current" Es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.

CARACTERISTICAS Una de las características de este dispositivo es que es muy compacto requiriendo únicamente un único circuito de control, dado que solo dispone de un terminal de puerta, sin embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muy reducida. en general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con tensiones que no superen los 1000 V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15 KW. la frecuencia máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red monofásica

Dispositivos Totalmente Controlados. GTO ( gate turn-off thyristor) El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. la puesta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G. El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo.

CARACTERISTICAS El proceso de encendido es similar al del tiristor. las caracteristicas de apagado son un poco diferentes. cuando un voltaje negativo es aplicado a travez de las terminales puerta G y catodo C o K, la corriente en la puerta ig, crece. cuando la corriente en la puerta G alcanza su maximo valor, IGR, la corriente de anodo comienza a caer y el voltaje a traves del dispositivo VAK, comienza a crecer el tiempo de caida de la corriente de anodo es abrupta, tipicamente menor a 1 us. despues de esto, la corriente de anodo varia lentamente y esta porcion de la corriente de anodo es conocido como corriente de cola.

IGBT ( insulated gate bipolar transistor) El transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la característica de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación de IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las de BJT. CARACTERISTICAS El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios. El IGBT tiene una alta impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas pérdidas de conducción en estado activo como el Bipolar, pero no presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT.

MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistors) Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET son transistores controlador por tension, esto se debe al aislamiento (oxido de silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p , si bien en electrónica de potencia los mas comunes son los primeros, por presentar menores perdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros. CARACTERISTICAS

Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida Sin embargo, son los transistores más rápidos que existen, con lo cual se utilizan en aplicaciones donde es necesario altas velocidades de conmutación (se pueden llegar a tener aplicaciones que trabajan a 1MHz, algo impensable para los bipolares). El consumo de corriente de puerta es pequeño y se simplifica el diseño del circuito de disparo driver y control correspondiente.

TABLAS COMPARACION ENTRE VARIOS TRANSISTORES DE POTENCIA Regiones de utilización: En función de las características de cada dispositivo, se suele trabajar en distintas zonas, parametrizadas por la tensión, la corriente y la frecuencia de trabajo. Una clasificación cualitativa se presenta en la siguiente figura:

Aplicaciones de los Dispositivos de Electrónica de Potencia La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluye: Controles de calor Controles de iluminación Controles de motor Fuente de alimentación Sistema de propulsión de vehículos Sistemas de corriente directa de alto voltaje ( HVDC por sus siglas en inglés)

Conclusiones: Dentro de este reporte uno puede llegar a la conclusión que debido a la gran variedad de dispositivos en la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia ya que tanto los distintos tipos y clasificaciones de transistores y tiristores son esenciales para conocer el funcionamiento de un Diseño Electrónico de Potencia así como las aplicaciones que tienen en el mundo cotidiano así mismo poder implementarlos en nuevos diseños y hacer que la electrónica tenga mas versatilidad.

Referencia Bibliográfica MUHAMMAD H. RASHID, Electrónica de potencia, Ph.D.,Fellow IEE http://www.unicrom.com/Tut_scr_curva_caracteristica.asp

http://tec.upc.es/el/TEMA-2%20EP%20(v1).pdf

http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia Reporte de Dispositivos de Potencia M.C. Fernando Treviño Martínez Nombre: Tomas Anthony Alvira Castillo Matricula: 1544910 Hora: N1 (L, M,V) Carrera: Ing. Electrónica y Comunicaciones

6/Septiembre/2017