Elec Aplicada 1
Transcript of Elec Aplicada 1
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREYMONTERREY
CAMPUS PUEBLACAMPUS PUEBLA
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
PRIMAVERA 2008PRIMAVERA 2008
ITESMITESM
Objetivos Generales del curso:
El curso de Electrónica aplicada presenta los principios de operación de componentes electrónicas especializadas. Se estudian componentes tanto de baja como de alta potencia. El estudiante podrá profundizar posteriormente en el estudio de sistemas para control electrónico de potencia.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
Al finalizar este curso el alumno será capaz:1. Entender los principios de operación de los dispositivos electrónicos semiconductores de alta potencia.2. Entender los principios de operación de los amplificadores
operacionales así como algunas de sus aplicaciones.3. Entender los principios de operación de otros circuitos analógicos importantes tales como los circuitos temporizadores y los generadores de PWM.4. Entender los conceptos básicos de circuitos digitales.
ITESMITESM
Temas y subtemas:
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia1.3 Rectificador controlado de silicio (SCR)
1.3.1 Características de operación1.3.2 Protecciones del dispositivo
1.4 Transistor de potencia de juntura bipolar (Transistor de potencia)
1.4.1 Características de operación1.4.2 Protecciones del dispositivo
1.5 Transistor de potencia de compuerta aislada (IGBT)1.5.1 Características de operación1.5.2 Protecciones del dispositivo
1.6 Convertidores de estado solido
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Temas y subtemas:
2. Amplificadores operacionales2.1 Conceptos básicos de opamps.2.2 Características ideales del opamp.2.3 Aplicaciones básicas con el opamp ideal.2.4 Características reales del opamp.2.5 Modelación del opamp ideal en Spice.2.6 Circuito Integrador2.7 Circuito Derivador2.8 Convertidores V/V, VI y I/V.2.9 Amplificador de Instrumentación.2.10 Filtros activos
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Temas y subtemas:
3. OTROS CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS3.1 Los circuitos temporizadores.3.2 Los generadores de PWM.
4. CIRCUITOS DIGITALES4.1 Sistemas numéricos.4.2 Compuertas lógicas y álgebra boleana.4.3 Circuitos lógicos combinacionales.4.4 Flip-Flops.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Calificación
3 exámenes parciales: 54%1 examen final: 30%Tareas: 16%Total: 100%
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Formato de exámenes
Hojas blancas o cuadrícula grande tenue. Nombre e ID en cada hoja. Una sola respuesta por hoja. Mostrar procedimientos y ecuaciones empleadas en secuencia lógica. Marcar respuestas. 100% = Respuesta correcta. Respuesta incorrecta pero procedimiento
correcto y bien planteado = 25% No copiar.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Formato de exámenes
En los exámenes de deben sentar en grupos de dos y en los extremos de las mesas. Sí algún alumno se deja copiar, o pasa alguna respuesta se le recogerá el examen y tendrá cero en su calificación. Traer lápices, goma de borrar y calculadora.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Formato de reportes tareas y proyectos.
I. Fundamentos teóricosII. Diseño analítico.III. Simulación y resultados.IV. Construcción física (si aplica).V. Pruebas y resultados.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
Reglas del curso.1. Tolerancia de entrada 10 min.2. Después pueden entrar pero tienen
falta.3. Si las tareas no se entregan en la fecha
especificada, tiene una penalización del 50%, si se entrega en la siguiente clase.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
A menos se indique lo contrario
DA
ITESMITESM
Reglas del curso.1. HONESTIDAD, HONESTIDAD Y
HONESTIDAD.
Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
La electrónica de potencia puede ser definida como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de electricidad de potencia.
Desde pocos hasta miles de amperes con voltajes 5000 Volts, mono o trifásicos.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
La electrónica de potencia combina potencia, electrónica y control
El control trata con las características
dinámicas y de estado estacionario de
sistemas de lazo cerrado
La potencia trata con el equipo estático o rotatorio de potencia para la generación, trasmisión y distribución de
la energía eléctrica
La electrónica trata con los dispositivos y circuitos de
estado sólido para el procesamiento de señales que permitan cumplir los
objetivos deseados de control.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
La electrónica de potencia se basa principalmente en la conmutación o switcheo de dispositivos semiconductores
de potencia
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Aplicaciones
Control de motores Calentamiento Iluminación Generación de electricidad Fuentes de alimentación Fuentes ininterrumpibles Sistemas de propulsión Etc..,
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Los circuitos de conversión de potencia son frecuentemente clasificados en cuatro
categorias.
Convertidores ac-ac ( cambiadores de frecuencia, cicloconvertidores)
Convertidores ac-dc (rectificadores, convertidores off-line)
Convertidores dc-ac (inversores)
Convertidores dc-dc (convertidores)
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Historia
Gate turn-off thyristor
MOS-controlled thyristorIsolated gate bipolar transistor
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Historia
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Unidireccionales
Diodo de potencia Transistor bipolar de potencia, BJT Transistor bipolar de compuerta aislada, IGBT Rectificador controlado de silicio, SCR Rectificador controlado de silicio asimétrico, ASCR Tiristor apagado por compuerta, GTO Tiristor controlado por MOS, MCT
Bidireccionales
MOSFET de potencia Tiristor de conducción inversa Triac
Switches controlados en dirección directa y sin control en dirección inversa
Switches controlados en ambas direcciones
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Diodos de potencia
1. General-purpose diodes : up to 6000V, 4500A2. High speed (or fast-recovery) diodes : up to 6000V, 1100A
High frecuency switching of power converters reverse recovery time varies between 0.1 and 5s.3. Schottky
Low on-state voltageRecovery time nanosecondsHigh leakage currentup to 100V, 300A
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristors
A thyristor has three terminals: an anode, a cathode and a gate. When a small current is passed through the gate terminal to cathode, the thyristor conducts, provided that the anode terminal is at higher potential than the cathode.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristors
1. Forced-commutated thyristor 2. Line-commutated thyristor 3. Gate-turn-off thyristor (GTO)4. Reverse-conducting thyristor (RCT)5. Static induction thyristor (SITH)6. Gate-assisted turn-off thyristor (GATT)7. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)8. MOS turn-off thyristor (MTO)9. Emitter turn-off thyristor (ETO)10.-Integrated gate-commutated thyristor (IGCT)8. MOS-controlled thyristor (MCT)
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristors
Once a thyristor is in conduction mode, the gate circuit has no control and the thyristor continues to conduct.
When a thyristor is in a conduction mode, the forward voltage drop is very small; 0.5 to 2 V.
A conducting thyristor can be turned off by making the potential of the anode equal or less than the cathode potential, or by decrease main current below a specified value.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristors
Line commutated thyristors are turned off due to the sinusoidal nature of the input voltage.
Forced commutated thyristors, are turned off by a extra circuit called commutation circuitry.
Line commutated thyristors rating: 6000V, 4500ª
High-speed reverse-blocking thyristors turn-off time: 10 to 20 useg, 3000V, 3600A
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristors
The turn off time is defined as the time interval between the instant when the principal current has decreased to zero after external switching of the principal voltage circuit, and the instant when the thyristor is capable of supporting a specified principal voltage without turning on.
TRIACS are similar to two thyristor connected in inverse parallel and having only one gate terminal. Triacs controls current in both directions.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Power transistors
BJT´sPower converters < 10 kHz, 1200V, 400A, Forward drop 0.5 to 1.5 V
Power MOSFETHigh speed power converters, tens of kHz, 1000V, 100A
. IGBT´s
Voltage-controlled power transistors.Faster than BJT´s, but still not quite as fasts as MOSFET1700V, 2400 A, 20kHz
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Power transistors
Solid state triodes (SIT´s)High power, high frecuency device.Solid state version of triode vacuum tube.Similar to JFET.0.25 usec turn-off, turn-on times1200V, 300 ASwitching speed 100 kHz.Audio, VHF/UHF, microwave amplifiers
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Power devices symbols
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Rating of power semiconductors devices
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Thyristor
GTO
MCT
IGBTBJT
MOSFET
Voltage
Current
Frequency
Rating of power semiconductors devices
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Applications of power devices
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Power electronics applications
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características ideales de dispositivos de switcheo
1. Cuando el switch está prendido, deberá tener:a). La capacidad de manejar una elevada corriente IF ( ∞).b). Una baja caida de voltaje Von ( 0).c). Una baja resistencia Ron ( 0).
2. Cuando el switch esta apagado, deberá tener:a). La capacidad de soportar un alto voltaje directo o inverso VBR ( ∞).b). Baja corriente de fuga IOFF ( 0).c). Una alta resistencia ROFF ( ∞).
3. Durante el proceso de encendido y apagado, el switch deberá ser completamente encendido o apagado de manera instantánea de tal manera que pueda operar a altas frecuencias, por lo que deberá tener:a). Un bajo tiempo de retrazo (delay time) td ( 0).b). Un bajo tiempo de crecimiento (rise time) tr ( 0).c). Un bajo tiempo de almacenamiento (storage time) ts ( 0).d). Un bajo tiempo de caída (fall time) tf ( 0).
1 y 2, condiciones de DC de estado estacionario.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características ideales de dispositivos de switcheo
4. Para prender y apagar el switch se requiere:a). Baja potencia para el manejo del gate PG ( 0).b). Bajo voltaje para el manejo del gate VG ( 0).c). Baja corriente para el manejo del gate IG ( 0).
5. El prendido y apagado del switch deberán ser controlables. Esto es el switch deberá conducir con una señal de gate (e.g., positiva) y deberá abrirse con otra señal del gate (e.g., negativa o cero).
6. Para prender o apagar el switch se deberá de requerir una señal de pulso solamente, esto es un pequeño pulso con un ancho muy pequeño tw ( 0).
7. El switch deberá tener un elevado dv/dt, ( ∞). Esto es deberá ser capaz de manejar cambios rápidos de voltaje a través de él.
8. El switch deberá tener un elevado di/dt, ( ∞). Esto es deberá ser capaz de manejar un rápido incremento de corriente a través de él.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características ideales de dispositivos de switcheo
9. El switch requiere una baja impedancia térmica de la unión interna al ambiente RJA ( 0) de tal manera que pueda disipar el calor generado fácilmente.
10.El switch deberá ser capaz de soportar cualquier corriente de falla por un largo tiempo, esto es, deberá tener un valor de i2t ∞.
11.Se requiere coeficientes negativos de temperatura sobre la corriente, a fin de que cuando se utilizan los switches en paralelo compartan la corriente total en partes iguales.
12.Bajo precio.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características de dispositivos prácticos de switcheo
Vcc
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características de dispositivos prácticos de switcheo
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Características de dispositivos prácticos de switcheo
Vcc
+- VG
iG
isw
RL
Vsw
+
-
Modelo básicoSwitch controlado
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Especificaciones de switcheo
Capacidades de voltaje.Voltajes pico repetitivos directos e inversosCaída de voltaje en modo de conducción
Capacidades de corriente.PromedioRMSPico repetitivoPico no repetitivoFuga
Frecuencia o velocidad de switcheo.fs = 1/Ts = 1/(td+tr+ton+ts+tf+toff)
di/dtPequeña bobina en serie series snubber.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Especificaciones de switcheo
dv/dtCapacitor interno de unión Cj.Debido a cambios rápidos de corriente la corriente Cj dv/dt en Cj puede ser muy grande dañando el dispositivoRed RC en paralelo Shunt snubber o snubber.
Pérdidas de switcheo.
Requerimientos de operación del gate.
SOA (safe operating area)Area segura de operaciónFronteras
- Máximo voltaje operacional - Máxima corriente operacional (corriente límite) - Ambos, corriente y voltaje se vuelven grandes.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Especificaciones de switcheo
I2t Para elección del fusible de protecciónI2t < capacidad del fusible
TemperaturasTemperatura de unión entre 150 y 200° C.
Resistencia térmica.QJC unión a cuerpo.QCS cuerpo a disipador.QSA disipador a medio ambiente.
ITESMITESM
1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia
Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada
Tarea 1.
Realizar una investigación y presentarla en el formato de investigación de la IEEE de los dispositivos de potencia mencionados en clase. La investigación deberá incluir:
1.Familia de dispositivos de potencia.2.Estructura y principio de funcionamiento.3.Características principales.4.Aplicaciones.
Si la investigación no se entrega en el formato de la IEEE, tendrá una calificación de 50.