Ctedra: Electrnica de Potencia Profesor: Alberto Leon

Electrnica de Potencia

Alumnos: Winiffer Delgado C.I.: 13.126.975 Oscar Itanare Alberto Prez C.I.: 17.902.963 C.I.: 12.055.742

P.N.F.: Ingeniera Elctrica Seccin: 5101 Julio, 2011

Introduccin

Los semiconductores hoy en da conforman una herramienta cada vez de mayor uso, el cual es requerido debido a sus grandes prestaciones y es por esto que se hace necesario el estudio de los mismos y sus aplicaciones. En el presente trabajo se ha investigado y descrito; que son? y como se pueden emplear algunos de los dispositivos electrnicos de potencia, desde su principio o su definicin hasta sus ventajas y aplicaciones, teniendo especial atencin a estos elementos como accionamientos y todas las posibilidades que ofrecen y pueden ofrecer en los campos de aplicacin de la electricidad.

Conmutacion De Un Tiristor. Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conduccin y viceversa. Vamos a analizar este hecho. Tiempo de encendido (ton) Tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conduccin (Fig. 8). 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.

Tiempo De Apagado (Toff) Tiempo que tarda el tiristor en pasar de conduccin a corte (Fig. 9).

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 gobierno.

Caracteristicas Termicas Del Tiristor. 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

Mtodo De La Constante De Tiempo Clculo de R y C: 1.- Hallamos el valor mnimo de la cte. de tiempo de la dv/dt: donde VDSM = V de pico no repetitiva de bloqueo directo.

Calculamos el valor de R y C:

Conmutacin por pulso externo IL = corriente en la carga

RL = resistencia de carga. ITSM = corriente directa de pico no repetitiva. VA = tensin de nodo.

= coeficiente de seguridad (de 0, 4 a 0,1).

2.- Hallamos el valor de Rmin que asegura la no superacin de la di/dt mxima especificada (a partir de la ecuacin de descarga de C):

Clculo de L:

Mtodo De La Resonancia Elegimos R, L y C para entrar en resonancia

El valor de la frecuencia es:

En resonancia:

El valor de L es el que ms nos interese, normalmente:

El valor de R ser:

Protecciones Contra Dv/Dt Y Di/Dt Solucin: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie (Fig.18). Calculo: mtodo de la constante de tiempo y mtodo de la resonancia.

Convertidor AC/DC Regulador Para obtener voltajes de salida controlados, en lugar de utilizar diodos rectificadores que dan voltajes fijos, se utilizan Tiristores de control de fase, as es posible modificar el voltaje de salida controlando el retraso o ngulo de disparo de los mismos. Un tiristor de control de fase se activa aplicndole un pulso corto a su compuerta y se desactiva debido a la conmutacin natural o de lnea; en el caso de cargas inductivas, se desactiva mediante el disparo de otro tiristor del rectificador durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada.

Estos convertidores pueden clasificarse segn la fuente de alimentacin en: a. Monofsicos b. Trifsicos c. Dual

Figura C1. Convertidor Monofsico de Tiristor con Carga Resistiva. Principio de funcionamiento En la figura C1, de carga resistiva, durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, el nodo del tiristor es positivo con respecto al ctodo por lo que se dice que el tiristor tiene polarizacin directa. Cuando el tiristor T1 se dispara, en t = el tiristor T10 conduce, apareciendo a travs de la carga el voltaje de entrada. Cuando en el voltaje de entrada empieza a hacerse negativo, t = , el nodo del tiristor es negativo con respecto al ctodo y se dice que el tiristor T1 tiene polarizacin inversa; por lo que se desactiva. El tiempo desde que

el voltaje de entrada empieza a hacerse positivo hasta que se dispara el tiristor en t = se llama ngulo de retraso o de disparo .

Convertidor DC/AC Inversor Los convertidores de CD a AC se conocen como inversores, y su funcin es cambiar un voltaje de entrada en CD a un voltaje simtrico de salida en CA, con la magnitud y frecuencia deseadas, pudiendo ser variables. Si se modifica el voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de entrada en CD es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida si se varia la ganancia del inversor; esto por lo general se hace controlando la modulacin del ancho de pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relacin entre el voltaje de salida en CA y el voltaje de entrada en CD. En los inversores reales son necesarias las ondas senoidales de voltaje, los inversores producen onda cuadrada, por lo que se utilizan dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad para minimizar o reducir significativamente el contenido armnico de voltaje de salida. El uso de inversores es muy comn en aplicaciones industriales tales como; arranque de motores con variacin de velocidad, calefaccin por induccin, fuantes de respaldo y de poder y UPS. La entrada puede ser una batera o una celda solar por ejemplo, y las salidas monofsicas entre 115V y 220V con frecuencias entre 50, 60 y 400 Hz. En sistemas trifsicos de alta potencia: 220/380V 50 Hz; 120/208V - 60 Hz y

115/200V 400 Hz. Tambin pueden clasificarse en monofsicos y trifsicos y ambos utilizan activacin y desactivacin controlada ( BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) o tiristores de conmutacin forzada. Principio de Funcionamiento

En la figura C2 observamos dos pulsadores, cuando solo el transistor Q1 esta activo durante el tiempo To/2, el voltaje instantneo a travs de la carga vo es Vs/2. Si solo el transistor Q2 esta activo durante un tiempo To/2, aparece el voltaje Vs/2 a travs de la carga. El circuito lgico debe disearse de tal forma que Q1 y Q2 no estn activos simultneamente.

Figura C2. Inversor Monofsico de medio Puente

Inversores Trifsicos con Transistores Los inversores trifsicos se utilizan normalmente en aplicaciones de alta potencia, tres inversores monofsicos conectados en paralelo forman la configuracin de un inversor trifsico. (Figura C3). Las seales de compuerta de los inversores deben adelantarse o atrasarse 120 uno con respecto al otro a fin de obtener voltajes trifsicos balanceados. En la presente configuracin los bobinados primarios del los transformadores estn aislados mientras los bobinados secundarios pueden tener una conexin especifica, estrella o delta.

El dispositivo aqu mostrado requiere de tres transformadores monofsicos, 12 transistores y 12 diodos, si los voltajes de salida de los inversores monofsicos no estn perfectamente equilibrados en magnitud y fase los voltajes de salida trifsicos tambin estarn desequilibrados.

Seales de Compuerta para Conduccin a 120

Figura C3. Inversor Trifsico formado por tres Inversores Monofsicos

Convertidor Elevador En un convertidor o regulador elevador, el voltaje de salida es mayor que el voltaje de entrada, en la figura C4 se muestra un regulador elevador que utiliza un MOSFET de potencia. La operacin del circuito se puede dividir en dos modos. El primero de ellos empieza cuando se activa el transistor M1 en t = 0. La corriente de entrada, que se eleva, fluye a travs del inductor L y del Transistor Q1. El segundo empieza cuando se desconecta el transistor M1 en t = t1. La corriente que estaba fluyendo a travs del transistor fluir ahora a travs de L, C, la carga y el diodo M1. La energa almacenada en el inductor L es transferida a la carga.

Figura C4. Regulador o Convertidor Elevador con iL continua.

Regulador o Convertidor Elevador con iL continua.

Caractersticas Bsicas de una Fuente de Poder Las fuentes de poder, que se utilizan en forma extensa en aplicaciones industriales, requieren generalmente cumplir todas o la mayor parte de las caractersticas siguientes: a. Aislamiento entre fuente y carga. b. Una alta densidad de potencia a fin de reducir el tamao y el peso. c. Direccin controlada del flujo de potencia.

d. Alta eficiencia de conversin. e. Formas de onda de entrada y de salida con baja distorsin armnica total. f. Factor de Potencia Controlado si la alimentacin a la fuente es un voltaje de CA.

Amplificador de Potencia Clase A El funcionamiento de un amplificador en clase A se entiende que el transistor trabaja siempre en su zona activa. Esto equivale a decir que por el colector circula corriente los 360 del ciclo de seal, como se muestra en la figura C5. Con un amplificador Clase A, se trata de disear el punto Q en algn lugar cerca de la mitad de la recta de carga. De esta manera, la seal puede oscilar sobre el mximo rango posible sin saturar o cortar el transistor, lo que puede distorsionar la seal.

Figura C5

Un ejemplo del funcionamiento del amplificador de potencia en clase A se muestra en la figura C6 que corresponde a un amplificador PDT que es un amplificador con un divisor de tensin en la base, donde se observa que la seal no esta recortada y la corriente circula por el colector todo el ciclo. No aparecen recortes en la seal de salida durante todo el ciclo.

Figura C6. Amplificador Clase A

Amplificador de Potencia Acoplado por Transformador Elevador-Reductor En un ejemplo de amplificador mostrado en la figura C7, utiliza un transformador para acoplar la seal de salida con la carga, teniendo una eficiencia de 50 %. Esta es una forma simple de este tipo de circuito, donde se maneja las caractersticas de elevar o reducir del transformador en base a la relacin entre los nmeros de vueltas de su primario y secundario.

Relacin entre nmero de vueltas, voltajes y corrientes del transformador.

Figura C7. Amplificador de potencia acoplado por transformador

La impedancia conectada a un lado del transformador puede parecer menor o mayor en el otro lado del transformador, segn el cuadrado de la relacin de vueltas del embobinado del transformador. Debido a que tanto la corriente como el voltaje se pueden modificar en un transformador, tambin es posible modificar la impedancia observada desde cualquier lado del mismo.

Interruptores Los tiristores o transistores que pueden activarse y desactivarse en cuestin de unos cuantos microsegundos, se operan como interruptores de accionamiento rpido, a fin de reemplazar los interruptores de circuito mecnicos y electromecnicos.

Entre sus ventajas se encuentran: 1. La alta velocidad de conmutacin. 2. Ninguna parte mvil. 3. Ningn rebote de contactos al cierre. Las seales de compuerta o de control necesarias para los tiristores pueden ser generadas por transductores, para detectar la posicin mecnica elctrica, de proximidad, etc. Este tipo de interruptores tambin denominados interruptores estticos, se pueden clasificar en: a. Interruptores de AC a.1 Monofsicos a.2 Trifsicos b. Interruptores de CD. Como interruptores de CA, los tiristores son conmutados por lnea o en forma natural, y la velocidad de conmutacin queda limitada por la frecuencia de la alimentacin de CA y el tiempo de desactivacin de los mismos. Por otra parte los tiristores de CD son de conmutacin forzada y la velocidad de conmutacin depender del circuito auxilia y del tiempo de desactivacin de los tiristores. Otras aplicaciones de estos interruptores es en la inversin de fase y la transferencia de Bus Trifsico. Interruptores de CA El diagrama de circuito de un interruptor monofsico de onda completa se muestra en la figura C8, donde los tiristores se conectan en paralelo inverso. El tiristor T1

se dispara en t = 0 y el tiristor T2 en t = , el voltaje de salida es el mismo de entrada.

C8. Interruptor Monofsico de CA de Tiristor

Interruptores de CA Trifsicos Utilizando el mismo principio de los interruptores monofsicos es posible emplear una configuracin para cada uno mostrado en la figura C8 y entre ellos segn se muestra en la figura C9. La carga puede tener una conexin estrella o delta.

Figura C9. Interruptor de CA Trifsico de tiristores

Diagramas de otros usos posibles de estos tiristores

Interruptores de CA en Circuito para Cambio de Fase

Interruptores de CA en circuito de transferencia de bus

Interruptores de CD En el caso de los interruptores de CD, se puede utilizar transistores de potencia o tiristores de conmutacin rpida o bien GTO. Una vez activado un tiristor, debe desactivarse mediante la conmutacin forzada. Al emplearse este tipo de conmutacin forzada, el circuito forma parte integral del interruptor, as en la figura C10 con aplicacin de alta potencia, si se dispara el tiristor T3, el capacitor C se cargara a travs de la alimentacin de Vs, L y T3.

Figura C10. Interruptor de CD con un solo polo con tiristor

Puente de Wheatstone El puente de Wheatstone se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje. En la figura C11 se muestra la configuracin bsica de este puente, que siendo una condicin que el valor de todas las resistencias sea idntico se demuestra que cuando el voltaje de salida Vo es cero, el potencial en B debe ser igual al potencial en D, la diferencia de potencial en R1, es decir; Vab; debe ser igual a la diferencia de potencial en R2, es decir, Vbc; debe ser igual a la diferencia en R3 o lo que es igual Vad. Por lo tanto, I1R1 = I2R2. Tambin significa que la diferencia de potencial en R2, Vbc; debe ser igual a la de R4, es decir Vdc dado que en BD no hay corriente, la de R2 debe ser igual a la que hay en R1 y la corriente en R4 debe ser la misma en R3. Por consiguiente, I1R2 = I2R4. Lo que se puede expresar como:

Figura C11. Puente de Wheatstone

Las siguientes relaciones se derivan de las igualdades ya expuestas:

Entre otros usos o prestaciones del puente de Wheatstone esta la medicin de temperatura con la utilizacin de una resistencia de platino que conociendo que a una temperatura de 0 es de 100, y que forma parte de una resistencia del puente, as igualando las otras resistencias a 100 , cualquier variacin en la de platino se interpreta como una variacin de resistencia o traducida como una variacin de temperatura.

Transistores De Efecto De Campo La era electrnica se introdujo con el bulbo. A la llegada del transistor se realizaron grandes cambios, principalmente en las necesidades de potencia y tamao de los componentes y circuitos. A continuacin veremos los Transistores Unipolares (FETS - MOSFETS). Definicin: Los transistores de efecto de campo, conocidos generalmente como TEC ( o

FET por sus siglas en ingles ), son un dispositivo unipolar, ya que la corriente existe tanto en forma de electrones como de huecos. En un FET de canal n, la corriente se debe a electrones, mientras que en un FET de canal p, se debe a huecos. Ambos tipos de FET se controlan por una tensin entre la compuerta y la fuente.

Figura T1. Transistores De Efecto De Campo Los smbolos ilustrados en la figura se refieren al transistor de efecto de campo de juntura. Los TEC a y b han sido indicados como tipos N y P de acuerdo al empleo de los materiales tipo N y P en la fabricacin de estos dispositivos. El TEC tiene tres elementos. El terminal nodo se conoce como el drenaje y el terminal ctodo se conoce como fuente. El drenaje equivale al colector. La fuente equivale al emisor de un transistor bipolar. La puerta equivale a la base.

Elementos del TEC

Adems existen otros TEC que utilizan metales y materiales xidos, dando como un resultado un TEC que se conocen como Transistor de Efecto de Campo de xido de metal y semiconductor, que se abrevia TELCOMS ( o MOSFET por sus iniciales en y ingles ). Otro avance en el TEC es un dispositivo con dos terminales, llamados puertas frontal y puerta trasera, este dispositivo es el TEC tetrodo. En la siguiente figura se muestran los smbolos de estas modificaciones del TEC de juntura. En los smbolos para estos dispositivos, la D significa drenaje, la P = puerta, la F = fuente.

TEC tetrodo Tipos : Se consideran tres tipos principales de FET: El primero de ellos, el JFET, ya no se trata de una combinacin tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores N-P-N, P-N-P. Ahora la forma de obtenerlos es algo ms rebuscada. Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su construccin, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrnicos. A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razn es sencilla, si tomamos uno de ellos y cambiamos los tipos de semiconductores, es decir, donde hay

semiconductores de tipo P ponemos semiconductores de tipo N y viceversa, obtenemos otro transistor JFET pero de caractersticas distintas. As pues, para distinguirlos, llamamos FET de canal p al primero y FET de canal n al segundo. Veremos cmo las propiedades de ambos no slo son distintas sino que son ms bien opuestas. Para aplicar su funcionamiento hay que tener en cuenta que tenemos dos tipos distintos de voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y por tanto existen dos zonas de unin entre ellos. As pues, vamos a considerar la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que llamaremos Vds., y la diferencia de potencial entre puerta y fuente la cual estar representada por Vds. Estudiar las caractersticas de un transistor consta en jugar con las dos tensiones de que disponemos, aumentndolas, disminuyndolas y observando qu pasa con la corriente que lo atraviesa. Para estudiar su comportamiento, vamos a dejar fija la tensin entre la puerta y la fuente, Vgs, y vamos a suponer que variamos la tensin entre el drenador y la fuente, Vds. Se pueden distinguir tres zonas segn vamos aumentando el potencial Vds., estas son: zona hmica, zona de saturacin y zona de ruptura. En la zona hmica, el transistor se comporta como una resistencia (hmica), es decir, si aumentamos el potencial, Vds., crece la corriente (y) en la misma proporcin, esta situacin se mantiene as hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si seguimos aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si seguimos aumentando Vds., el transistor entra en la zona de saturacin. Aqu su comportamiento es totalmente distinto al anterior, ya que, aunque se siga aumentando Vds., la corriente permanece constante. Si seguimos aumentando el potencial Vds. de nuevo, llagamos a un valor de ste a partir del cual el

comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor tiene que ser del orden de 40 voltios. Decimos entonces que hemos entrado en la zona de ruptura. A partir de este punto la corriente i puede circular libremente, independientemente de que sigamos aumentando el valor de Vgs. Es esta la razn por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado, propiedad esta fundamental en la computacin. Un JFET se encuentra en estado OFF (interruptor cerrado) cuando Vds es cero, ya que no pasa corriente alguna, y en estado ON (interruptor abierto) cuando Vds pasa de los 40 voltios. Evidentemente, estos valores reales dependern del tipo de transistor del que hablemos, ya existen FET para circuitos integrados y FET de potencia, estos ltimos con valores algo mayores que los primeros. Otro de los tipos de FET es el conocido como MOSFET Por ltimo, vamos a hablar del transistor ms utilizado en la actualidad, esto es el del MOSFET. La estructura de este transistor es la ms complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P-N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dixido de silicio; esta pequea adicin de la capa del xido va a cambiar considerablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenia el JFET. Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona tipo P y dos tos N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona tipo N y otras dos tipo P se llamar MOSFET de canal P (o PMOS). MOSFET de Empobrecimiento:

El MOSFET De Empobrecimiento De Canal N El MOSFET de canal n se establece en un sustrato p, que es el silicio contaminado de tipo p. Las regiones contaminadas de tipo n de la fuente y el drenaje forman conexiones de baja resistencia entre los extremos del canal n u los contactos de aluminio de la fuente (S) y el drenaje (D). Se hace crecer una capa se SiO 2 , que es un aislante, en la parte superior del canal. Se deposita una capa de aluminio sobre el aislante de SiO 2 para formar la terminal de compuerta (G). El desempeo del MOSFET de empobrecimiento, es similar al JFET. El JFET se controla por la unin pn entre la compuerta y el extremo del drenaje del canal. No existe dicha unin en el MOSET de enriquesimiento, y capa de SiO 2 acta como aislante. Para el MOSFET de canal n, una v GS negativa saca los elementos de la regin del canal, empobrecindolo. Cuando v GS alcanza V p , el canal se estrangula. Los valores positivos de v GS aumentan el tamao del canal, dando por resultado un aumento en la corriente de drenaje. Ntese que el MOSFET de empobrecimiento puede operar tanto para valores positivos como negativos de v GS . Como la compuerta est aislada del canal, la corriente de compuerta es sumamente pequea cualquier polaridad. (10-12 A) y v GS puede ser de

Controladores y Microcontroladores Un controlador es un dispositivo electrnico encargado de, valga la redundancia, controlar uno o ms procesos. Por ejemplo, el controlador del aire acondicionado, recoger la informacin de los sensores de temperatura, la procesar y actuar en consecuencia. Al principio, los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos. Ms tarde, se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de E/S, sobre una placa de circuito impreso (PCB).

Actualmente, los controladores integran todos los dispositivos antes mencionados en un pequeo chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de Microcontroladores Como ya hemos visto, un microcontrolador es un dispositivo complejo, formado por otros ms sencillos. A continuacin se analizan los ms importantes. Procesador Es la parte encargada del procesamiento de las instrucciones. Debido a la necesidad de conseguir elevados rendimientos en este proceso, se ha desembocado en el empleo generalizado de procesadores de arquitectura Harvard frente a los tradicionales que seguan la arquitectura de von Neumann. Esta ltima se caracterizaba porque la CPU se conectaba con una memoria nica, donde coexistan datos e instrucciones, a travs de un sistema de buses.

Arquitectura Von Neumann En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de

instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, adems de propiciar el paralelismo, permite la adecuacin del tamao de las palabras y los buses a los requerimientos especficos de las instrucciones y de los datos.

Arquitectura Harvard El procesador de los modernos Microcontroladores responde a la arquitectura RISC (Computadores de Juego de Instrucciones Reducido), que se identifica por poseer un repertorio de instrucciones mquina pequeo y simple, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instruccin. Otra aportacin frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implcito, que consiste en la segmentacin del procesador (pipe-line), descomponindolo en etapas para poder procesar una instruccin diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez Memoria de programa El Microcontroladores est diseado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. Como ste siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen algunos tipos de memoria adecuados para soportar estas funciones, de las cuales se citan las siguientes: - ROM con mscara: se graba mediante el uso de mscaras. Slo es recomendable para series muy grandes debido a su elevado coste. - EPROM: se graba elctricamente con un programador controlador por un PC. Disponen de una ventana en la parte superior para someterla a luz ultravioleta, lo que permite su borrado. Puede usarse en fase de diseo, aunque su coste unitario es elevado.

- OTP: su proceso de grabacin es similiar al anterior, pero stas no pueden borrarse. Su bajo coste las hacen idneas para productos finales. - EEPROM: tambin se graba elctricamente, pero su borrado es mucho ms sencillo, ya que tambin es elctrico. No se pueden conseguir grandes capacidades y su tiempo de de escritura y su consumo es elevado. - FLASH: se trata de una memoria no voltil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, pero que suelen disponer de mayor capacidad que estas ltimas. Son recomendables aplicaciones en las que es necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto. Por sus mejores prestaciones, est sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. De esta forma Microchip comercializa dos microcontroladores

prcticamente iguales que slo se diferencian en que la memoria de programa de uno de ellos es tipo EEPROM y la del otro tipo Flash. Se trata del PIC16C84 y el PIC16F84, respectivamente. Memoria de datos Los datos que manejas los programas varan continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM esttica (SRAM) es la ms adecuada, aunque sea voltil. Hay Microcontroladores que disponen como memoria de datos una de lectura y escritura no voltil, del tipo EEPROM. De esta forma, un corte en el suministro de la alimentacin no ocasiona la prdida de la informacin, que est disponible al reiniciarse el programa. El PIC16F84 dispone de 64 bytes de memoria EEPROM para contener datos

Ejemplo de diseo de interruptor o switch con transistor bipolar Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizar para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y desconectar un voltaje de 12 voltios en A). Ver el diagrama. Los datos que tenemos son: - Voltaje de alimentacin = 12 V - Bombillo (foco) 12V, 1.2W - B (beta) mnimo del transistor es: 200 Transistor Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento: De la frmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI. Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature. La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA. Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo. Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib Vbe Rb = (120.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prcticos Rb = 2.2 Kohms Nota: Vbe = 0.7 Voltios proximadamente en un transistor de silicio.

Transistor en corte

Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a travs de l sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0

Voltios)*Conteo Por Formula Transistor npn El transistor de unin bipolar (del ingls Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrnico de estado slido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre s, que permite controlar el paso de la corriente a travs de sus terminales. La denominacin de bipolar se debe a que la conduccin tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran nmero de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores ms conocidos y se usan generalmente en electrnica analgica aunque tambin en algunas aplicaciones de electrnica digital, como la tecnologa TTL o BICMOS.

Un transistor de unin bipolar est formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una regin muy estrecha. De esta manera quedan

formadas tres regiones: Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportndose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.

Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensin mucho mayor.

Tiristores de induccin esttica (SITH). Por lo general, un SITH es activado al aplicrsele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicrsele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo as como una baja cada de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente ms altas. Un SITH tiene velocidades de conmutacin muy rpidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutacin es del orden de 1 a 6m s. La especificacin de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente est limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricacin, por lo que pequeas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus caractersticas.

Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR). Este dispositivo se activa mediante radiacin directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrn-hueco que se crean debido a la radiacin producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo elctrico. La estructura de compuerta se disea a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prcticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt).

Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisin de cd de alto voltaje (HVDC) y compensacin de potencia reactiva esttica o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento elctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutacin de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificacin de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt tpico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms.

Tiristores Controlados por MOS (MCT).Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las caractersticas de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el smbolo correspondiente en la (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q 1 y con un transistor Q 2 . La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M 1 y un MOSFET de canal n M 2 . Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el nodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las seales de compuerta. Supongamos que el MCT est en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo V GA . Un canal, p (o una capa de inversin) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E 2 de Q 2 (fuente S 1 del MOSFET M 1 del canal p) a travs del canal p hacia la base p B 1 de Q l (que es drenaje D 1 del MOSFET M 1 , del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q 1 . A continuacin e1 emisor n+ E 1 de Q 1 , inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C 1 ) que hace que el emisor p E 2 inyecte huecos en la base n B 2 , de tal forma que se active el transistor PNP Q 2 y

engancha al MCT. En breve, un V GA de compuerta negativa activa al MOSFET M 1 canal p, proporcionando as la corriente de base del transistor Q 2 . Supongamos que el MCT est en estado de conduccin, y se aplica un voltaje positivo V GA . Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B 2 de Q 2 (fuente S 2 del MOSFET M 2 del canal n) a travs del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Q l (drenaje D 2 del MOSFET M 2 del canal n+). Este flujo de electrones desva la corriente de base del transistor PNP Q 2 de tal forma que su unin base-emisor se desactiva, y ya no habr huecos disponibles para recoleccin por la base p B 1 de Q 1 (y el colector p C 2 de Q 2 ). La eliminacin de esta corriente de huecos en la base p B 1 , hace que se desactive el transistor NPN Q 1 , y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta V GA , desva la corriente que excita la base de Q l , desactivando por lo tanto el MCT. El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificacin, puede provocar la destruccin del dispositivo. Para valores ms altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estndar. Los anchos de pulso de la compuerta no son crticos para dispositivos de corrientes pequeas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivacin debe ser mayor. Adems, durante la desactivacin, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del perodo de encendido/apagado a fin de evitar ambigedad en el estado.

Un MCT tiene: Una baja cada de voltaje directo durante la conduccin; Un tiempo de activado rpido, tpicamente 0.4m s, y un tiempo de desactivado rpido, tpicamente 1.25m s, para un MCT de 300A, 500v; Bajas perdidas de conmutacin; Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitacin. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con slo modestas reducciones en la especificacin de corriente del dispositivo. No se puede excitar fcilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarizacin continua a fin de evitar ambigedad de estado.

Diseo de Variador de Velocidad para motores de AC Los variadores de velocidad, tambin llamados convertidores de frecuencia, son dispositivos utilizados para regular los procesos industriales. Se trata de equipos utilizados hoy en da en mltiples aplicaciones, existiendo un buen nmero de fabricantes y suministradores de los mismos. El principio de funcionamiento del variador de velocidad consiste en convertir el voltaje de CA a un voltaje de CD por medio de un puente rectificador trifsico compuesto por seis diodos para un voltaje de CA por medio de un puente inversor trifsico compuesto por 6 tiristores los cuales controlan el voltaje de CA

variando su frecuencia. La configuracin tpica de un variador de velocidad de 6 o 12 pulsos es como la que se muestra en la figura C12. Los componentes del variador de velocidad son un puente PWM creado con tiristores. El objetivo principal es desarrollar un sistema de control para motor de induccin trifsico al inversor. Las caractersticas son: alimentacin 220 VCA, caballos de fuerza 3 HP y velocidad angular nominal 1750 R.P.M. (Figura C12). rectificador trifsico y un convertidor

El control debe poder variar la frecuencia y el voltaje en cada una de las fases de manera independiente, adems de contar con dispositivos que faciliten su operacin. A partir de esto se requiere de otro diseo de control basado en la tcnica de PWM con Inyeccin de Tercer Armnica

Figura C12. Configuracin de un Variador de frecuencia

Figura C13. Puente Rectificador La expresin que define el voltaje de salida en CD donde se cumple la primera etapa es: Vcd = ( 32 / ) x Vca

En la tcnica de conmutacin utilizada el patrn de conmutacin de las seales PWM se obtiene a partir de la comparacin de una seal triangular (portadora) de amplitud A c y frecuencia f c , con una seal fundamental sinusoidal ms una componente de tercera armnica (moduladora) de amplitud A r y frecuencia f r . Esta seal queda definida como:

La amplitud de la seal de salida se controla a travs del ndice de modulacin M:

donde A r y A c representan las amplitudes de la seal moduladora y portadora respectivamente. Ahora, la frecuencia de salida f o se define por medio de la frecuencia de la seal moduladora. De esta manera, cambiando los parmetros de

la seal moduladora por fase se regulan los ndices (M,f o ), en consecuencia se modifica la seal de salida. La estructura general del inversor trifsico se muestra en la Figura C13, donde el patrn de conmutacin a determinar es para los elementos (Q 1 ,Q 2 ,Q 3 ,Q 4 ,Q 5 ,Q 6 ). La obtencin de las seales de cada interruptor se genera comparando la portadora con tres seales moduladoras, desfasada 120 entre ellas.O

Figura C14. Conmutacin PWM con Inyeccin de tercer Armnico

En la Figura C14 encontramos la generacin de las seales de excitacin, y la obtencin de uno de los voltajes fase a fase (v ab ), este se obtiene a partir de:

Generacin de las Seales PWM

Las seales de excitacin para los interruptores de una misma rama se obtienen a partir de diferentes bloques (ver Figura C14). Por ahora nos enfocaremos en uno de estos. La implementacin de estos pulsos se llevo acabo de manera digital, mediante un microcontrolador. El diseo quedo dividido en cuatro partes:

a) Generador de parmetros de modulacin b) Generador de tiempo muerto c) Generador de parmetros de frecuencia d) Implementacin mediante un microcontrolador (Sin Estudio)

a) Generador de parmetros de modulacin

La comparacin de las seales de control nos genera una serie de pulsos, si consideramos uno de los pulsos como el de la Figura C15 podemos deducir que tn on representa el tiempo durante el cual el interruptor permanece encendido. Si tomamos consideramos que toda la comparacin es una serie de pulsos como este, podramos llegar a obtener un patron de conmutacin, nicamente cambiando los tiempos de activacin de una manera adecuada. De esta manera considerando el tiempo total de uno de los pulsos.

tn off + tn on + tn off = tn Por lo tanto t1 + t2 + t3 +...+ tn = T

donde n = Nmero de pulsos por ciclo. T = El periodo de la seal moduladora (seal de salida).

El

incremento que se tiene en los pulsos es de manera discreta.

nicamente se considera representar la comparacin de las seales de control. El nmero de estos pasos define la resolucin que se tendr durante cambios de los la modulacin. Si a estos los llamamos , a mayor nmero de se obtendr, y en consecuencia el cambio en vo

estos, mejor resolucin ser ms suave. Se especifica entonces que 1 + 2 + 3 +... + n = tn Donde

n = Nmero de pasos en la resolucin.

Figura C15. Obtencin de las seales de control

b) Generador de tiempo muerto

Para evitar posibles cortocircuitos durante la activacin y desactivacin de dos interruptores de la misma rama se implementa un tiempo muerto (tiempo en blanco). Este tiempo se selecciona segn las caractersticas de los dispositivos semiconductores, en este caso se implement un tiempo de 6s (ver Figura C16)

Figura C16. Generacin de Tiempo Muerto

c) Generador de parmetros para la frecuencia Una vez definidos el nmero de pulsos por ciclo, de pasos en la resolucin y de conocer el tiempo muerto, podemos llegar a la siguiente conclusin: [(t 32) + 12s]27 = T Donde

t = Tiempo de cada paso en la resolucin. Claramente podemos visualizar que la frecuencia de salida depende nicamente de t , de la Ecuacin sabemos que:

De esta ecuacin se pueden obtener los tiempos necesarios para generar cada una de las frecuencias deseadas 2) Puente inversor trifsico El puente inversor se encuentra formado por seis interruptores (Figura

C18). Estos interruptores son controlados mediante las seales PWM obtenidas con anterioridad. Como interruptores fueron utilizados transistores IGBTs por su fcil control y altos niveles de operacin.

Figura C18. Circuito Puente Inversor Trifsico Para el diseo del puente inversor se utilizo un mdulo inteligente de potencia de IGBTs. Este caractersticas modulo adems del puente inversor trifsico incluye

como: un interruptor de frenado, circuito de disparo para los

IGBTs, opera en aplicaciones de conmutacin de hasta 20KHz, adems de contar con circuitos de proteccin para corto circuito, sobre-corriente, sobre-

temperatura y deteccin de bajo voltaje en la fuente de alimentacin del circuito de disparo. Al inversor tambin se le incluyo una resistencia de frenado dinmico conmutada por el interruptor QFR. Esta conmutacin se hace en paralelo al bus de CD a causa de hacer un frenado dinmico. Para determinar cuando hay que

conmutar esta resistencia, se mide constantemente el valor del voltaje en el bus de CD, esto mediante uno de los microcontroladores empleados. que el voltaje rebasa los 350V esta conmutacin se realiza. Una vez

CONCLUSIN Los sistemas de potencia no solo transportan energa, o la suministran; si no que requiere de una serie de pasos, componentes y equipos para hacer de un sistema elctrico, un sistema eficiente, de calidad y continuo. Los semiconductores de potencia dentro de su evolucin, han impulsado el desarrollo e implementacin de nuevas tcnicas para el control y supervisin de los sistemas, haciendo que sea prctico y econmico el uso de las mismas, as desde sistemas auxiliares de control y proteccin como los de potencia pueden desarrollarse de manera rpida y con un mayor porcentaje de vida til en comparacin con los sistemas operados totalmente por accionamientos mecnicos o electromecnico. Convertidores, inversores, UPS, bateras, circuitos amplificadores y la funcin frecuencia como protagonista; hacen de la electrnica de potencia una

herramienta indispensable en el dominio de las tcnicas de ingeniera especialmente en la elctrica, de aqu la importancia que debemos remarcar en el estudio y desarrollo de elementos como los IGBT, IGCT, IEGT y dems consolidados en las aplicaciones elctricas y el ahorro de energa y costo dentro de los proyectos de sistemas elctricos

Bibliografa AGUILAR Pea Juan Domingo, El Tiristor, Universidad de Jan Escuela Politcnica Superior Autorizado y disponible en: http://www.redeya.com. 08/07/2011 hora 12:20pm

RASHID Muhhamed, Electrnica de Potencia, Sexta Edicin, Editorial Prentice Hall Hispanoamrica.1993

Interruptor transistor en memoria y conteo: http://www.unicrom.com/Tut_transistores_efecto_campo.asp 11/7/11 hora 11:35pm Microcontroladores consultar en: http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm#sith 11/7/11 hora 9:20 pm Transistores de efecto de campo fets consultar en: http://www.google.co.ve/tiristor11/7/11 hora 7:35 pm

Transistores SITH consultar en:http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp 13/7/11 hora 2:30 pm Transistores LASCR MCT consultar en: http://www.unicrom.com/tut_transistor_como_switch.asp 13/7/11 hora 3:35 pm