ELECTRÓNICA INDUSTRIALCAPITULO I. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” 1.1 HISTORIA La historia de la electrónica de potencia empezó en el año de 1900 (figura 1.1), con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego se descubre el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al vacío de rejilla controlada, el ignitrón, el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos tuvieron su aplicación en el control de la energía hasta la década de 1950 (figura 1.2). Figura 1.1. Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia. La primera revolución de la electrónica se inició en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories. La mayoría de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en este descubrimiento. En 1956, el mismo laboratorio, incorporo el transistor de disparo PNPN, que se definió como un Tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR), figura 1.2. La Segunda revolución de la electrónica empezó en 1957 con el desarrollo del Tiristor comercial por General Electric Company, figura 1.2. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces se han introducido diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. En la actualidad la revolución de la electrónica de potencia nos está dando la capacidad de formar y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor. [14] 1 ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia. Figura 1. 2 .2.3 Hechos significativos en la evolución de la Electrónica de Potencia. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1. Este dispositivo puede soportar tensiones de hasta 20. Su nombre fue derivado del método del encendido del arco.4. siendo la caída de tensión en conducción de 15 a 20 Volts. 1.4. El electrodo activador o encendedor es una varilla de Carborundo (carburo de silicio) especialmente conformada y parcialmente sumergida en el Mercurio. Figura 1. b) Símbolo. El ánodo es generalmente un bloque de carbono y el cátodo una bolsa de Mercurio. a) Estructura. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” A continuación se presentara un pequeño estudio de cómo estaban conformado los siguientes dispositivos: el Ignitrón y el Tiratrón.000 Volts y corrientes de varios miles de amperios. Cuando pasa por el encendedor (interruptor) una corriente muy intensa se produce una emisión electrónica en los puntos de contacto con el Mercurio que se evapora para formar un paso conductor entre los electrodos.1-1 El Ignitrón En 1932 se introduce el ignitrón. Las versiones mayores de ignitrones tienen cubiertas compuestas de metal y vidrio con un sistema de enfriamiento por agua similar al de los rectificadores de arco de Mercurio de los cuales se han derivado. desarrollado por Slepian y Ludwing. El Ignitrón es una Válvula grande de cátodo frío que se usa para conmutar corrientes intensas. c) Característica de VAK-IA. 3 . que fueron los últimos dispositivos que se utilizaron en la electrónica de potencia en el control de la energía.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. Ignitrón. Su estructura básica y característica de voltaje y corriente se muestran en la figura 1. Éste es un rectificador de mercurio líquido de tres electrodos. Penetra ligeramente en el mercurio y deforma la superficie produciendo una potente fuente emisora de electrones. El mercurio próximo se ioniza inmediatamente y dispara la válvula en unos 10 s. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” La conducción se provoca en el momento deseado aplicando un impulso de 20 a 50a y unos cientos de voltios entre la terminal de disparo llamado ignitor y el cátodo. el camino que debe recorrer el plasma electrónico hacia el ánodo aumenta de esta forma y también lo hace ligeramente la caída de tensión en conducción. Se trata de un componente muy robusto que puede manejar una gran potencia y soportar bien sobre-tensiones y sobre-corrientes. una distribución de potenciales entre la punta y el líquido que alcanza gradientes del orden de millones de voltios por centímetro. El ánodo debe estar previamente polarizado a tensión positiva respecto al cátodo. aunque algunas veces suelen conectarse dos en paralelo para mayor seguridad. se realiza con una gran superficie receptora y se apantalla de la radiación calorífica que recibirá del mercurio mediante un cono y un anillo directivos de grafito (figura 1.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. la ionización no se puede mantener y el ignitrón se apaga o se bloquea. es bastante elevada. al serle aplicado el impulso de disparo. eléctricamente conectado a la cubeta que contiene el mercurio. El disparo por ignitor es muy simple y fiable. El ignitor termina en una punta de material semiconductor refractario como Carburo de Boro o grafito. La tensión en conducción. siendo los electrones emitidos por el líquido encargados de soportar la conducción posible. 4 . Se construyen ignitrones de gran potencia con el tanque refrigerado por agua mediante un serpentín (conducto).5). es un inconveniente por que el rendimiento resultante no es muy bueno y el tamaño de la válvula debe ser grande por razones de disipación de temperatura. Para evitar el deterioro del ánodo de grafito por calentamiento. Cuando la intensidad de ánodo se hace muy pequeña. 5. Los ignitrones se emplean en instalaciones de rectificación de alta tensión e intensidades y en locomotoras eléctricas con motores de CD. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1. Sección axial. Un ignitrón para locomotora puede tener un peso de 60 Kg.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. Ignitrón blindado. [1][6][15] 5 . con el control de polarización ajustado a un valor.1-2 El Tiratrón En 1929 se introduce el Tiratrón.7b). En la figura 1. se puede variar la polarización de la rejilla de control y por lo tanto. la corriente que pasa por una carga se puede controlar variando la polarización de la rejilla de control. desarrollado por A. Éste es un tubo de cátodo caliente que contiene gas inerte o vapor de mercurio a baja presión. Con dicha fuente. la forma de onda entre ánodo y cátodo muestra que. se puede reducir el intervalo de tiempo durante el cual conduce el tiratrón (figura 1. Durante el semiciclo negativo se bloquea el tiratrón. La rejilla de control requiere de una tensión negativa o bien.7a se muestra un circuito de un tiratrón conectado como rectificador de media onda. una tensión positiva para que comience a operar. entonces se dispara y conduce durante el intervalo t . indica que el comienzo de la conducción se ha retrasado hasta el instante correspondiente a B. Símbolo de tiratrón de cátodo caliente. 6 . Entre el ánodo A y el cátodo C se encuentra la rejilla de control o de mando G. esto se debe por la aplicación de una polarización negativa a la rejilla de control. el tubo de cátodo caliente no conduce hasta que se alcanza la tensión V 1. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” 1. En esta figura. La introducción del gas en un tubo electrónico tríodo altera radicalmente sus características de funcionamiento. la corriente en la rejilla disminuye aproximadamente hasta cero. En un tiratrón de cátodo caliente. La forma de onda del voltaje de carga y de la corriente de carga BA (figura 1.6. Figura 1. El Tiratrón actúa como un rectificador diodo a gas con una rejilla de control.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. En la figura 1. Cuando alcance dicha tensión. En esta figura se observa una fuente de alimentación variable (VC).7b) en que el tubo esta conduciendo.7b). Whull. Durante el intervalo CD (figura 1.6 se muestra el símbolo del tiratrón de cátodo caliente. ya que en los Tiristores se han encontrado una profunda aplicación como válvulas de conmutación en los dispositivos de relé y de conmutación. 7 . La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y rotativa o giratoria. el control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. que es relativamente pequeña. la electrónica y el control. también a la gama de temperatura más limitada que la de los Tiristores.8 se muestra la interrelación de la electrónica de potencia con la energía. La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. transmisión y distribución de la energía eléctrica. la electrónica y el control. a) Tiratrón conectado como rectificador de media onda con el control de VC y b) Formas de onda. ya que ellos pueden operar en una gama de variación de la temperatura ambiente comprendida entre 15 y 40 0C.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I.7. Los inconvenientes de los tiratrones se concretan en la vida útil. así pues la electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.-3 Definición De La Electrónica De Potencia Durante mucho tiempo ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos. para la generación. [1][6][15] 1.1. Los tiratrones de cátodo caliente dieron lugar a una reducción considerable. La electrónica de potencia combina la energía. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” (a) (b) Figura 1. En la figura 1. La electrónica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos en el procesamiento de las señales para cumplir con los objetivos de control deseados. que son controles de calor. Con las tendencias actuales en el desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores. fuentes de alimentación. las aplicaciones de la electrónica de potencia cada día más es indefinida. gracias al avance tecnológico en la fabricación de los semiconductores de potencia. controles de motor. controles de iluminación. Ha alcanzado un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia. Relación de la electrónica de potencia con la energía. [2] [15] 8 . sistemas de propulsión de vehículos y sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC).8. la electrónica y el control La electrónica de potencia o electrónica de las corrientes fuertes es una técnica relativamente nueva que se ha desarrollado a partir de la Electrónica y de la Electrotecnia. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. 9 .ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. [3] Figura 1. En la figura 1. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Algunas aplicaciones de la electrónica de potencia son: Abre puertas eléctricos Acondicionamiento del aire Alarmas Alarmas contra robo Amplificadores de audio Arrancadores para turbinas de gas Atenuadores Atenuadores luminosos Calderas Calefacción por inducción Cargador de Baterías Centelladores luminosos Charolas para calentar alimentos Computadoras Controles de calor Controles lineales de motor de inducción Corriente Directa de Alto Voltaje (HVDC) Electrodomésticos Electroimanes Elevadores Fuentes de alimentación para aeronaves Fuentes de alimentación para laser Grabaciones magnéticas Grúas y tornos Herramientas eléctricas Herramientas manuales de potencia Molinos Secadoras Vehículos eléctricos Ventiladores Fuente de alimentación para radar/sonar Controles de hornos Controles de motor Fuentes de alimentación Interruptores estáticos(sistemas no-break) Bombas y compresores Fotocopias Controles de señales de tránsito Sistemas de seguridad Relevadores estáticos Controles de temperatura Balastras para lámparas de arco de mercurio Fuentes de alimentación no interrumpibles Soldadura Lavadoras Juguetes Trenes Reguladores de voltaje Fuentes de poder para aplicaciones espaciales [2] [15] Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de: a) Un circuito de potencia. etc.9 se presenta un diagrama de bloques de un equipo electrónico de potencia. compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos (transformadores. que elabora la información proporcionada por el primero y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados (Tiristores) con una fase y una secuencia convenientes.9.) b) Un circuito de mando. bobinas y capacitores. Diagrama de bloques de un equipo electrónico de potencia. que pueden compararse con el músculo.10. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia. En las formas de onda de voltaje de salida de la figura 1. y (2) microelectrónica. en primer término. En la figura 1.1-4 Sistemas Y Técnicas De Control De Potencia La electrónica de potencia se basa. en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de conducción de estos dispositivos de conmutación.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. las capacidades del manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza (1) semiconductores de potencia. Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de compuerta de los Tiristores. Cuando un dispositivo semiconductor de potencia está en modo de conducción normal. existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo. Una vez que un Tiristor está en modo de conducción. estas caídas de voltaje se consideran despreciables. que tiene el poder y la inteligencia del cerebro.10 se muestran los voltajes de salida y las características de control de los dispositivos de interrupción de potencia de uso común. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadoresmicrocomputadoras tiene un gran impulso sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. [2] [15] 10 . -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” 1. la señal de la compuerta ya sea negativa o positiva no tiene efecto. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I.10. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1. 11 . Características de voltaje-corriente de los Dispositivos Semiconductores de Potencia. MOSFET de potencia. ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia..1-5 Topología De Circuitos Electrónicos De Potencia Desde que se desarrolló el primer Tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR). típicamente en nano-segundos. 300 A... típicamente 0.1 y 5ms. A partir de 1970.. y la especificación de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 3000 Volts. Un diodo tiene dos terminales: un ánodo y un cátodo. de alta velocidad (o de recuperación rápida) y Schottky. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para la interrupción de los convertidores de potencia a altas frecuencias. 5. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales: 1. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperación muy pequeño. 1000 Amperes. 4. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0. 2. se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial.Tiristores.Diodos de potencia. a fines de 1957.5 y 1.Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT).2 V. Un diodo conduce cuando el voltaje de su ánodo es más alto que el de su cátodo. 3. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V. Los Tiristores se pueden subdividir en trece tipos: Rectificador Controlado de Silicio (SCR) Tiristor desactivado por compuerta (GTO) Tiristor de Triodo Bidireccional (Triac) Tiristor Bidireccional de Silicio (Diac) Interruptor Unilateral de Silicio (SUS) Interruptor Bilateral de Silicio (SBS) Interruptor de Apagado por Compuerta (GTO) Interruptor Controlado de Silicio (SCS) Diodo de Cuatro Capas (Diodo Shockley) Interruptor Direccional de Silicio (SIDAC) Transistor Mono-unión (UJT) Transistor Mono-unión Programable (PUT) Rectificador Controlado de Silicio Activado por Luz (LASCR) Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general. siendo la caída de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja. Si el voltaje de 12 . -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” 1. 3500 Amperes. los Tiristores convencionales se habían utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. Hasta 1970..Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT). Los diodos de uso general están disponibles hasta 3000 Volts. 5 a 2 Volts. tipo plano. En la figura 1. la caída de potencial en directa es muy pequeña. mismos que se agrupan básicamente en dos tipos. se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencial del cátodo. mediante un circuito adicional de conmutación.11. Existen varias configuraciones de diodos de uso general. siempre y cuando la terminal del ánodo esté a un potencial más alto que el cátodo. Los Tiristores conmutados en línea se desactivan en razón de que el voltaje de entrada sea senoidal. un cátodo. se dice que el diodo está en modo de bloqueo. y los Tiristores conmutados en forma forzada se desactivan. Un Tiristor tiene tres terminales: un ánodo. el circuito de la compuerta no tiene ningún control y el Tiristor continúa conduciendo. 13 . Cuando un Tiristor está en un modo de conducción. y tipo de aguja. Un Tiristor que conduce. configuraciones de diodos de uso general. típicamente 0.11). Cuando una pequeña corriente pasa a través de la terminal de la compuerta hacia el cátodo. Uno se conoce como de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presión (figura 1. Una vez que el Tiristor está en un modo de conducción.12 se muestran varias configuraciones de Tiristores de control de fase (o de conmutación de línea): tipo perno. Figura 1.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” cátodo es más alto que el voltaje de ánodo. y una compuerta. el Tiristor conduce. El tiempo de desactivación de los Tiristores de bloqueo inverso de alta velocidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 s con un tiristor de 1200-Volts. se presentan las especificaciones de Dispositivos Semiconductores de Potencia. El tiempo de desactivación se define como el intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente principal se reduce a cero después de la interrupción externa del circuito de voltaje principal.12. 350 Amperes. Los Tiristores conmutados en línea están disponibles con especificaciones de hasta 6000 Volts. 1500 A. se fabrican hasta 6000 V. Las características del TRIAC son similares a dos Tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. [2] [15] 14 . Los LASCR. El flujo de corriente a través de un TRIAC se puede controlar en cualquier dirección. Para aplicaciones de corriente alterna de baja potencia de los TRIAC. y el instante en que el Tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especificado. Configuraciones de Tiristores. son adecuados para sistemas de energía de alto voltaje. se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor.13. sin activarse. así como interruptores de corriente alterna. 2000-Amperes. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. de iluminación. de motor. especialmente en HVDC. En la figura 1. con una velocidad de interrupción de 200 a 400 s. 1-6 Ventajas Y Desventajas De Los Semiconductores Las principales razones técnicas para la utilización de sistemas electrónicos y de potencia son a menudo la gran velocidad y la dinámica de regulación que se asocia a sus dispositivos. un ahorro importante de hierro y de cobre) y el buen rendimiento de los equipos. lo que se traduce finalmente en la reducción del peso y del consumo de los vehículos. Las principales razones económicas son la reducción del peso y el volumen (lo que compone. En los equipos informáticos. a menudo. la fabricación por electroerosión y las máquinas herramientas son buenos ejemplos de ello. 1. En los medios de transporte.13. La soldadura sin proyección.ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. Dispositivos de Potencia. tienen la ventaja de una reducción en la disipación térmica en salas climatizadas. el tren sobre colchón magnético. la alimentación en modo conmutado permite obtener ganancias en peso y en volumen. [15] A continuación se presentara algunas ventajas y desventajas de los semiconductores y de los dispositivos que fueron reemplazados por estos mismos. Ventajas Y Desventajas De Los Semiconductores VENTAJAS 15 . -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Figura 1. La alimentación en modo conmutado en los televisores reduce el costo de producción. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CAPITULO I. -“INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA” Menor costo Menor tamaño Mayor rapidez de conmutación Libres de mantenimiento (excepto limpieza exterior) Capacidad en manejo de altas corriente Operación silenciosa No necesitan de sistemas de enfriamiento Fuertes resistencias a los choques y aceleraciones Ausencia de vibraciones (no hay arco eléctrico) Insensibilidad a las sobrecargas DESVENTAJAS No provee aislamiento eléctrico (los reveladores sí) Requiere de cuidado en su conexión Les puede afectar la alta temperatura Fáciles de destruir si se sobrepasan sus especificaciones Requieren voltajes regulables Ventajas Y Desventajas De Los Dispositivos Reemplazados VENTAJAS Proveen aislamiento eléctrico Capacidad de manejar altas corrientes (también los Tiristores tienen capacidad de manejar corrientes altas) DESVENTAJAS Costo elevado Son voluminosos Lentos en la conmutación o función Ruidos al trabajar Requieren de sistemas de enfriamiento Requieren del efecto de rebote eléctrico 16 .