Electrónica de Potencia MANUAL 1

1

PROGRAMA DE CAPACITACIÓN DE CODESA

CEPA ACAJUTLA

ÁREA: ELECTRÓNICA

MÓDULO:ELECTRÓNICA DE POTENCIA

NOMBRE DEL ALUMNO:

_____________________________________

FACILITADOR: CARLOS OVIDIO LANDAVERDE PÉREZwww.itexsal.edu.sv

Tel. 2221-4911 ext. 112 , email: [email protected]

http://www.itexsal.edu.sv/

2

Electrónica de Potencia______________________________________________

Objetivos del módulo de Electrónica de potencia-Que al finalizar dicho módulo él participante tenga las competencias básicas necesarias sobre conceptos y definiciones usados en el área de electrónica de potencia.

-Lograr que el participante conozca sobre los diferentes elementos electrónicos de potencia y su utilidad en proyectos, máquinas y procesos industriales. -Que el participante logre las competencias básicas para hacer e interpretar y armar circuitos electrónicos.

INTRODUCCIÓN

Se denomina electrónica de potencia a la rama de la electrónica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.

Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.

El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).

Dispositivos de potencia

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

Sistemas electrónicos

Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes:

1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.

2. Circuitos de procesamiento de señales – Consisten en piezas electrónicas conectadas juntas para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores.

3. Salidas o Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando este obscureciendo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Actuador

http://es.wikipedia.org/wiki/Salida

http://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_de_se%C3%B1ales

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz

http://es.wikipedia.org/wiki/Transductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor

http://es.wikipedia.org/wiki/Entrada

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo

http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Bobina

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Suministro_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistemas_de_control

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

3


EL DIODO DE POTENCIA

Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.

Construcción y encapsulado - Aislamiento ENCAPSULADOS - Conexión Eléctrica - Disipación térmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Sistemaselectronics.JPG%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

4


ELECTRÓNICA DE POTENCIA

TEMA: EL DIODO COMO RECTIFICADOR DE CORRIENTE

4 OBJETIVOS:

Al finalizar esta práctica el estudiante será capaz de:

Probar en forma estática un diodo. Dadas diferentes señales identificar cuáles corresponden a alternas y cuáles son directas. Calcular los parámetros eléctricos de un circuito rectificador de media onda. Calcular los parámetros eléctricos de un circuito rectificador de onda completa. Explicar el funcionamiento de un circuito rectificador. Medir parámetros eléctricos en circuito rectificador. Calcular el valor de capacitancia necesaria para filtrar la señal de salida de un circuito

rectificador.

INTRODUCCIÓN.

CORRIENTE ALTERNA:

La corriente alterna como su mismo nombre lo indica, es una clase de corriente que cambia de valor en forma alterna (de positivo a negativo y viceversa) y el número de veces que se realiza esa alternancia se conoce como la frecuencia de la señal. En la siguiente figura se representa como cambia el valor del voltaje de una señal senoidal alterna a través del tiempo.

5


Fig. 1

PARÁMETROS A CONSIDERAR:

T (Período de la señal): Es el tiempo que tarda en completarse un ciclo de la señal.

Vp (voltaje pico): Valor máximo de voltaje alcanzado por la señal (ya sea positivo ó negativo)

Vrms (valor efectivo o valor eficaz) : Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia.

Frecuencia de la señal: Es el número de veces que se repite el ciclo por unidad de tiempo (es el recíproco del período F = 1 / T)

En nuestro país, la señal que se tiene disponible en las fuentes de alimentación ya sea en las residencias, el comercio o la industria; es una señal de corriente alterna de 60HZ.

RELACION ENTRE Vp y Vrms PARA UNA SEÑAL SENOIDAL DE 60 Hz.

Vrms = 0.707 Vp

Es importante tener presente que los valores que se miden con un tester común en a.c. , son valores de voltaje rms.

CIRCUITOS RECTIFICADORES

Se le llama rectificación al proceso de convertir una señal de corriente alterna en corriente directa. Este proceso de rectificación puede hacerse de diversas maneras, pero en todos los casos se utilizan diodos ( o circuitos integrados que contienen diodos). En el desarrollo de esta practica, se estudiarán algunos circuitos que realizan esta función.

EL DIODO

Este es un componente electrónico que esta formado a partir de una barra de Silicio intrínseco (puro) a la cual se le han agregado algunas impurezas de otros elementos, por ejemplo: Galio (+3),

6


para formar un material tipo “P” y Arsénico (+5) para formar el tipo “N”. La unión PN así formada es lo que constituye un diodo. En la figura 2, puede verse su representación.

Fig. 2

CURVA CARACTERÍSTICA

La curva característica de un diodo, es la representación gráfica de la relación entre el voltaje y la corriente a través del mismo. La Fig. 3, representa la forma en que varía el voltaje y la corriente en el diodo, si se hace variar el voltaje de la fuente como se indica en los circuitos de las Figuras a y b.

La función de la resistencia (R) en este circuito, es la de limitar el valor de la corriente que circula por el diodo para evitar su destrucción.

( a ) ( b )

7


Fig. 3

Observe que el voltaje del diodo en el primer cuadrante (que representa la polarización directa del diodo) es menor de 1V, en cambio el voltaje a través del dispositivo en el tercer cuadrnate (polarización inversa) puede ser de mas de 100V antes de llegar a la ruptura dependiendo de las especificaciones que tenga el diodo.

En la generalidad de los casos, las especificaciones que nos interesará conocer de un diodo, son: La corriente máxima que soporta (en polarización directa) y Voltaje máximo que soporta en polarización inversa.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIODO IDEAL

Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un conmutador cerrado.

Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia.

8


PRUEBA ESTÁTICA DE UN DIODO

Los diodos reales pueden tener una gran variedad de formas, pero siempre tendrán sólo dos terminales de conexión (el ánodo y el cátodo), de los cuales generalmente el cátodo puede ser identificado por alguna marca cercana a ese terminal. Si se utiliza un tester digital en el modo “prueba de diodos” y con la polaridad indicada en la siguiente figura (polarización directa), éste indicará una lectura de voltaje ligeramente menor que el valor del voltaje de umbral (para un diodo de Silicio en buen estado el tester indicará 0.7 V aproximadamente).

Si se invierte la polaridad del diodo, el tester deberá indicar una lectura “ OL “ (fuera de rango, si el diodo esta en buen estado) como indica la figura 4.

Fig. 4

Al utilizarse un tester analógico para la prueba estática de un diodo, tenga presente el hecho de que por lo general la polaridad de las puntas de prueba en las escalas de ohmios, es invertida o sea que la punta roja será el negativo mientras que la punta de prueba negra será el

9


Los defectos que pueden encontrarse en la prueba de un diodo son:

DIODO EN CORTO CIRCUITO Resistencia extremadamente pequeña en ambas direcciones (polarización directa e inversa).

DIODO EN CIRCUITO ABIERTO Resistencia muy elevada en ambas direcciones.

DIODO CON FUGAS La resistencia en inversa es relativamente baja.

Albert Paul Malvino, Principios de Electrónica, Sexta edición.

CIRCUITOS RECTIFICADORES DE CORRIENTE.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Para una señal de entrada senoidal se cumple:

Recuerde que:

Vp es medido con un osciloscopio ya sea en a.c. ó en d.c. Vr m s es medido con tester en a.c.

10


Vd.c. es medido con tester en d.c.

FILTRADO DE UNA SEÑAL RECTIFICADA

En muchas aplicaciones se requiere que la señal rectificada sea de un valor de voltaje constante y no pulsante. Para lograr este objetivo, se aprovechan las características de funcionamiento de los capacitores.

Si se conecta un capacitor en pararalelo con la salida de un circuito rectificador se obtendrá el efecto mostrado en la figura 5. donde el voltaje de rizado ( Vriz ) es la variación que tendrá el voltaje ya filtrado. El valor del votaje de rizado se reduce al aumentar el valor de la capacitancia.

Para calcular el valor de capacitancia y el voltaje máximo del capacitor de filtro se usarán los siguientes criterios:

1°) 1000 F por cada amperio de corriente de carga.

2°) Voltaje máximo del capacitor 2 Vrms (del voltaje de la señal en el secundario del transformador).

Fig.5PRÁCTTICA DE DIODOS

EQUIPO Y MATERIALES

1 Transformador 110V/12V con derivación (Tap) central 4 Diodos de Silicio (diodo común) 1N4007 1 Tableta Breadboard 1 Osciloscopio 1 Tester (análogo o digital) 1 Resistencia 2.2k 1 Capacitor de 470 F

PROCEDIMIENTO

1- Utilizando los diodos proporcionados, efectúe las mediciones respectivas y completa la tabla siguiente:

Polarización directa Polarización inversa EstadoD1D2D3

11


D4

2- Arme El circuito de la figura 6.

Fig. 6

3-Utilizando el osciloscopio efectúe las siguientes mediciones en el secundario del transformador (entre ánodo y referencia) :

Vp:

Vpp:

T:

Calcule la frecuencia de la señal: F:

4- Utilice el osciloscopio para medir los siguientes parámetros en la resistencia de carga:

Vp:

T:

5- Arme el circuito de la figura 7.

Fig. 7

6-Utilizando el osciloscopio efectúe las siguientes mediciones entre un terminal del secundario del transformador y el punto de referencia:

Vp:

Vpp:

12


T:

Calcule la frecuencia de la señal: F:

7-Utilice el osciloscopio para medir los siguientes parámetros en la resistencia de carga (con respecto al punto de referencia):

Vp:

T :

Calcule la frecuencia de la señal, F:

¿Esta señal corresponde a una señal alterna o a una directa?

¿Porqué?

8-Mida con el tester el voltaje entre un terminal del secundario del transformador y el punto de referencia, ¿qué tipo de voltaje es?

Valor medido:

Utilizando este valor,calcule:

Vp:

Vdc:

Utilice el tester y mida el Vdc:

¿Existe diferencia entre el valor medido y el calculado?

Si hay diferencias, explique cuales son sus posibles causas.

9- Arme el circuito de la figura 8.

13


Fig. 8

¿Cuál es el valor del voltaje RMS que se esta rectificando en este circuito?

¿Cuál es el valor del voltaje Pico a la entrada del puente rectificador?

¿Cuál es el valor de voltaje en la resistencia de carga?

¿Cuál es el valor de la frecuencia en la señal rectificada?

¿Cómo puede calcularse el valor que tendrá la corriente a través de RL?

¿Cuál es el valor de la corriente en RL?

¿Qué diferencias encuentra entre los dos circuitos rectificadores de onda completa?

1-

2- ..

Agregue un capacitor de 1000 F a la salida del puente rectificador y en paralelo con RL.

¿Cuál es el valor del voltaje en RL (medido con el tester)?

¿A cuál valor de los voltajes de la señal de a.c. de entrada, se ha acercado este nuevo valor del voltaje en RL?

¿Cuál es el efecto que ha producido el capacitor sobre la señal de salida en el circuito rectificador?

Si este capacitor se conectara al circuito rectificador de media onda (figura 6), ¿Cómo será la forma de onda en la salida?

¿Para qué se rectifica una señal de corriente alterna?

14


B) REALICE EL DIAGRAMA DE CONTROL: (FRENADO DINÁMICO).

Ejemplo de aplicación: FRENO DINÁMICO

1. al pulsar el arranque, se energiza el contactor K, dando funcionamiento al motor. Por todo el tiempo deseado.

2. Al pulsar el paro se desaparece la energía de la bobina del contactor K, abriendo los contactos de fuerza 1-2, 3-4, y 5-6 de K, desenergizando el motor. Instantáneamente se energiza el contactor K1, aplicándole a través de sus contactos corriente directa al motor, que hará que el eje reduzca su velocidad suavemente.

3. Pasado 10 segundos que es el tiempo estipulado para que el eje del motor se detenga por completo, el contactor K1 debe de desenergizarse y abrir el paso de la corriente de DC.

4. Puede hacer uso de temporizadores ON DELAY o OFF DELAY.

Diodo zenerCaracterísticas, ejemplo de diseño

El Zener se puede utilizar para regular una fuente de tensión. Este semiconductor se se fabrica en una amplia variedad de tensiones y potencias

15


Estas van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts (vatios) hasta 50 watts (vatios) o más.

La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por el. Pz = Vz x Iz

Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es: Iz = Pz / Vz.

Donde:- Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener- Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)- Vz = Tensión del diodo zener (dato del fabricante)

Ejemplo: La corriente máxima que un diodo zener de 10 Voltios y 50 Watts (vatios), podrá aguantar será: Iz = Pz / Vz = 50 / 10 = 5 Amperios

Cálculo de la resistencia limitadora Rs. (ver esquema del regulador con diodo zener)

El cálculo de la resistencia Rs está determinado por la corriente que pedirá la carga (lo que vamos a conectara a esta fuente).

Esta resistencia (resistor) se puede calcular con la siguiente fórmula:

Rs = [Venmin - Vz] / 1.1 x ILmáx

donde:- Ven (min): es el valor mínimo del voltaje de entrada. (acordarse que es una tensión no regulada y puede variar)- IL (max): es el valor de la máxima corriente que pedirá la carga.

Una vez que se obtuvo Rs, se obtiene la potencia máxima del diodo zener, con ayuda de la siguiente fórmula:

PD = [[ Venmin - Vz] / Rs - ILmin] x Vz

Ejemplo de un diseño:

Una fuente de 15 voltios debe alimentar una carga con 9 Voltios, que consume una corriente que varía entre 200 y 350 mA. (mili amperios). Se escoge un diodo zener de 9.1 voltios pues no hay de 9 y...:

- Calculo de Rs: Rs = (15 - 9.1) / (1.1 x 0.35) = 15 ohmios (ohms)- Cálculo de la potencia del diodo zener: PD = [ (15 - 9.1) / 15 ] x 9.1 = 3.58 watts o vatios.

16


Como no hay un diodo zener de 3.58 Vatios, se escoge uno de 5 vatios que es el más cercano

- Potencia de Rs: Un cálculo adicional es la potencia de la resistencia Rs. Este se hace con la fórmula: P = I2 x R. Ver Potencia en una resistencia (ley de Joule)

Los datos actuales son: I (max) = 350 miliamperios = 0.35 amperios y Rs = 15 Ohmios (ohms)aplicando la fórmula, PRs = 0.352 x 15 = 1.84 Watts (vatios)

Esto significa que a la hora de comprar esta resistencia (resistor) deberá ser de 2 Watts o más.

TEMA:EL TRANSISTOR BIPOLAR ( BJT )

OBJETIVOS:

Al finalizar esta práctica el estudiante será capaz de:

Identificar el símbolo de un BJT. Describir como está construido un BJT. Probar BJT, identificando el tipo y terminales. Describir cómo funciona un transistor. Interpretar la hoja de especificaciones del BJT.

INTRODUCCIÓN:

Distintos encapsulados de transistores.El término transistor es la contracción de transfer resistor, es decir, resistencia de transferencia. El

transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o

17


conmutador electrónico ( interruptor electrónico). Es un componente clave en toda la electrónica

moderna, donde es ampliamente utilizado formando parte de conmutadores electrónicos, puertas

lógicas, memorias de computadoras y otros dispositivos. En el caso de circuitos analógicos los

transistores son utilizados como amplificadores, osciladores y generadores de ondas.

Sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue inventado en

los Laboratorios Bell de EEUU en Diciembre de 1947 por John Bardeen,Walter Houser y William

Bradford Shockley, los cuales fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.

Sus inventores lo llamaron así por la propiedad que tiene de cambiar la resistencia al paso de la

corriente eléctrica que circula a través suyo —entrando por uno de los 3 terminales (el "emisor") y

saliendo por otro (el "colector") en función de la mayor o menor corriente eléctrica que, para

excitarlo, se inyecte en el tercero (la "base").

Por lo tanto, puede decirse que: "la corriente eléctrica que circulará a su través es directamente

proporcional (pero mucho mayor) a la que se utilice para excitar su capacidad de conducir", o sea:

la corriente eléctrica que entra por el "emisor" y luego sale por el "colector" está en función de la

que se inyecte en la "base".

La corriente que sale por el "colector" es el resultado de haber amplificado la que se inyecta en la

"base" pero, naturalmente, el transistor sólo gradúa la corriente que circula a su través, que

absorbe por el "emisor" y sale por el "colector". Se dice que el transistor amplifica la corriente

aplicada a la "base", pero en ningún caso crea la energía necesaria para ofrecer esa corriente

amplificada que sale por el "colector"; ésta ha de aplicarse al "emisor" desde una fuente de

corriente eléctrica externa.

Modelos posteriores al transistor descrito (transistores FET, MOSFET, etc.) no utilizan para graduar

la mejor o peor conducción por su interior la corriente que se inyecta en el terminal de "base", sino

el mayor o menor voltaje que se aplique entre dos terminales determinados.

El transistor bipolar tiene tres partes,una que emite portadores (emisor), otra que los recibe o

recolecta (colector) y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de

dichos portadores (base).

En los transistores bipolares una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la

corriente que circula entre emisor y colector. La señal base-emisor puede ser muy pequeña en

18


comparación con la emisor-colector. La corriente emisor-colector es aproximadamente de la misma

forma que la base-emisor pero amplificada en un factor de amplificación "Beta".

El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, como todo amplificador puede

oscilar, puede usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on-off.

El transistor también funciona, por tanto, como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad

aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos como

controladores de motores eléctricos de corriente continua y motores de paso a paso.

Tipos de transistor

Transistor de juntura bipolar BJT por sus siglas en inglés, se forma básicamente con dos

uniones PN, y transporta corriente mediante dos tipos de portadores de;posee una baja

impedancia de entrada.

Fototransistor, sensible a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas a la de la

luz.

Transistor de juntura unipolar, conocido como UJT.

Transistor de efecto de campo, FET, que controla la corriente en función de una tensión;

tienen alta impedancia de entrada. Presentan las siguientes modalidades de fabricación:

Transistor de efecto de campo de juntura, JFET, construido mediante una juntura PN.

Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se

aísla del canal mediante un dieléctrico

Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-

Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal

semiconductor por una capa de óxido.

IGBT El transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo electrónico que generalmente

se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas

de alta tensión. La corriente que controla el dispositivo es de alta impedancia pero de 15V.

Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas con una potencia muy baja en la etapa de

control.

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos

semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su

uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en

convertidores estáticos de potencia, controles para motores (arrancadores suaves, variadores de

frecuencia,etc.) y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está

basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito.

CIRCUITOS TÍPICOS DE POLARIZACION DEL TRANSISTOR.

http://es.wikipedia.org/wiki/Impedancia

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingl%C3%A9s

19


CIRCUITO DE POLARIZACIÓN DE BASE (O POLARIZACIÓN FIJA).

VCC - VBE

IB =

RB + RE ( + 1 )

IC = IB

VCE = VCC – IC (RC + RE)

CIRCUITO DE POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE (O TENSIÓN).

(R1 // R2) Significa calcular la resistencia equivalente en paralelo de R1 y R2

La relación IC / IB se conoce como Ganancia de corriente y se representa como hFE o con la letra griega . = hFE = IC / IB

20


R B = R1 // R2.

VB

IB =

(R1 // R2) + RE ( + 1 )

IC = IB

VCE = VCC – IC ( RC + RE )

CONDICIONES DE POLARIZACION DEL TRANSISTOR.

REGIÓN DE OPERACIÓN

VALORES DE CORRIENTE Y

VOLTAJE APLICACIONES

CORTE IC =O

VCE = VCE (corte) = VCC

Cuando el transistor opera

entre corte y saturación puede

SATURACIÓN IC = IC (sat.)

VCE = 0

utilizarse como interruptor

electrónico.

ACTIVA 0 < IC < IC (sat.)

0 < VCE < VCC

Amplificador de señales

(voltaje y/o corriente),

acoplador de impedancias,

circuitos osciladores, etc.

VALORES NOMINALES Y HOJA DE ESPECIFICACIONES

Como ya sabemos, el transistor tiene dos uniones PN y estas son sometidas a diferentes condiciones de polarización mientras el transistor está funcionando, de tal manera que no cualquier transistor soportará cualquier condición de trabajo.

Los fabricantes de BJT, someten a éstos a numerosas pruebas para obtener los valores nominales (o promedio) que los transistores puede soportar y así proporcionan la información necesaria (parámetros eléctricos) para poder utilizar el componente que mejor responda a la aplicación particular.

Dependiendo del tipo de transistor, así será la cantidad de parámetros que el fabricante pondrá en la hoja de especificaciones; a continuación se definirán algunos de los parámetros más importantes del BJT.

V CEO: Voltaje Colector – Emisor (con la base abierta).

21


V CBO: Voltaje colector - Base (con el emisor abierto).V EBO: Voltaje Emisor - Base (con el colector abierto).I C: Corrientes de colector continua. hfe: Ganancia de corriente ().T J, T STG: Rango de temperatura de operación y almacenaje.

PRÁCTICA DE TRANSISTORES

EQUIPO Y MATERIALES Diferentes transistores BJT 1 Tableta Breadboard 1 Tester (digital) Fuente de d.c. Resistencias

PROCEDIMIENTO:

1) Probar el transistor.

2) Construir el siguiente circuito:

3) Completar la tabla siguiente:

Va 0 V 5V

ESTADO DEL LED

22


V CE

REGIÓN DE TRABAJO DEL

TRANSISTOR

4) Construir el circuito:

5) Completar la tabla siguiente:

Va 0 V 8V

ESTADO DE LA LAMPARA

INCANDESCENTE

V CE

REGIÓN DE TRABAJO DEL

TRANSISTOR

¿Qué función desempeña el diodo en reversa (conectado en paralelo con la bobina del relay)?

¿Qué función realiza la resistencia de 1 K ohmio?

¿Qué otras cargas podrían conectarse en vez de la lámpara incandescente? (mencione por lo

menos cuatro ejemplos).

23


Efectúe el anáslisis de los dos circuitos. Calcule en ambos casos:

I B, IC y VCE sin Va aplicado y con Va aplicado.

PRÁCTICA

TEMA:CIRCUITO TEMPORIZADOR.

OBJETIVOS:

Al finalizar esta práctica el estudiante será capaz de: Analizar circuitos temporizadores con BJT. Construir circuitos temporizadores con BJT.

INTRODUCCIÓN.

Los circuitos de control de tiempo o temporizadores juegan un papel muy importante en el control de diferentes procesos industriales.

El circuito de esta práctica ilustra el principio de operación de estos sistemas de control.

Se utiliza una red RC para establecer el tiempo de conducción de un transistor BJT, quien a su vez maneja la carga a través de un relay.

MATERIAL Y EQUIPO:1 Transistor NPNResistencias de 320 K ohmios1 capacitor de 470 uF.1 capacitor de 1000 uF1 Fuente DC.1 Relay.1 Foco 110 V.1 diodo rectificador

24


PROCEDIMIENTO.

1- Construir el circuito siguiente:

2- Con el interruptor S1 abierto efectuar las siguientes mediciones:

VB =

VCE = 3- Aplicar un pulso de cierre al interruptor S1. Describir lo que sucede:

TEMA:POLARIZACION DEL SCR

OBJETIVO Demostrar el funcionamiento de un Rectificador Controlado de Silicio mediante el uso de

una lámpara incandescente y observar su forma de onda de disparo a través de un osciloscopio.

DESCRIPCION BÁSICA

EL SCR

25


El tiristor de la Figura 1(SCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

FIGURA 1.Símbolo electrónico de un Rectificador Controlado de Silicio

Características del SCR: • Interruptor casi ideal. • Amplificador eficaz (pequeña señal de puerta produce gran señal A – K). • Fácil controlabilidad. • Características en función de situaciones pasadas (Memoria). • Soporta altas tensiones. • Capacidad para controlar grandes potencias. • Relativa rapidez.

Figura 2 Circuito básico de disparo de corriente continua de un SCR. Características DE LA COMPUERTA DE LOS SCR

26


Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas terminales (VGK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. En la figura 4 se muestran las condiciones que deben existir en la compuerta para que un SCR se dispare.

Figura 3.Voltaje de compuerta a cátodo (VGK) y corriente de compuerta (IG)

necesarios para disparar un SCR.

Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. Mientras la corriente continúe fluyendo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR permanecerá en ON. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (IAK) caiga por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de ca pasa por cero a su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, la IHO es alrededor de 10 mA.

PRÁCTICA DEL SCR

OBJETIVO Demostrar el funcionamiento de un Rectificador Controlado de Silicio mediante el uso de

una lámpara incandescente y observar su forma de onda de disparo a través de un osciloscopio.

27


MATERIAL Y EQUIPO 1 Fuente de 12 volts de corriente continua 1 Rectificador controlado de silicio C 106 D 1 Resistencia de 4.7 kilo ohms a ½ watt 1 Switch de un polo un tiro. 1 Lámpara para 12 volts de corriente continua 1 Protoboard 1m Alambre calibre 22 de una línea 1 Multímetro digital con puntas de prueba

PROCEDIMIENTO

1. Buscar en el manual de semiconductores ECG la disposición de terminales del rectificador controlado de silicio C106 D y anotarla en una hoja de especificaciones.

2. Armar en el protoboard el circuito de la figura 2, teniendo cuidado con las conexiones.

3. Mediante el uso del Multímetro Digital, medir el voltaje de la pila de 9 volts para comprobar que está proporcionando el voltaje correcto.

4. Conectar la pila de 9 volts al circuito armado en el protoboard. 5. Cerrar el interruptor para proporcionar un pulso de activación al SCR, en este caso la lámpara

debe encender. 6. Abrir el interruptor y observar el efecto producido en la lámpara 7. Explicar porque la lámpara se mantiene encendida por tiempo indefinido aún después de

desactivar el interruptor. 8. Producir un corto circuito momentáneo entre el ánodo y el cátodo del SCR y observar el efecto

producido en lámpara. 9. Hacer las anotaciones necesarias de acuerdo con lo observado durante el desarrollo de la

práctica.

PRÁCTICA

TEMA:CONTROL DE FASE CON SCR

28


OBJETIVO El alumno debe ser capaz de identificar en la práctica las características de disparo de un

Rectificador Controlado de Silicio, utilizando como carga una lámpara incandescente de 100W.

DESCRIPCIÓN BÁSICA

MÉTODOS DE DISPARO DE UN SCR. Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar

polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que corriente de carga, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.

Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor corriente de umbral, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son: • Por puerta. • Por módulo de tensión. • Por gradiente de tensión • Disparo por radiación. • Disparo por temperatura.

El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados, por lo que los evitaremos en la medida de lo posible.

• Disparo por puerta Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en

la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.

• Disparo por módulo de tensión Este método podemos desarrollarlo basándonos en la estructura de un transistor: si

aumentamos la tensión colector - emisor, alcanzamos un punto en el que la energía de los portadores asociados a la corriente de fugas es suficiente para producir nuevos portadores en la unión de colector, que hacen que se produzca el fenómeno de avalancha. N

Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobretensiones anormales en los equipos electrónicos.

• Disparo por gradiente de tensión Si a un tiristor se le aplica un escalón de tensión positiva entre ánodo y cátodo con tiempo

de subida muy corto, los portadores sufren un desplazamiento para hacer frente a la tensión exterior aplicada, la unión de control queda vacía de portadores mayoritarios; aparece una diferencia de potencial elevada, que se opone a la tensión exterior creando un campo eléctrico que acelera fuertemente a los portadores minoritarios produciendo una corriente de fugas.

• Disparo por radiación La acción de la radiación electromagnética de una determinada longitud de onda provoca

la elevación de la corriente de fugas de la pastilla por encima del valor crítico, obligando al disparo del elemento.

Los tiristores fotosensibles (llamados LASCR o Light Activated SCR) son de pequeña potencia y se utilizan como elementos de control todo - nada.

• Disparo por temperatura El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados

en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a 1+a 2) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta. Condiciones necesarias para el control de un SCR

29


• Disparo • Polarización positiva ánodo - cátodo.

La puerta debe recibir un pulso positivo (respecto a la polarización que en ese momento tengamos en el cátodo) durante un tiempo suficiente como para que corriente del ánodo sea mayor que la intensidad de enganche.

En el siguiente circuito (Figura 1) se muestra una aplicación práctica del SCR para el control de intensidad de una lámpara incandescente (control de fase)

FIGURA 1 Circuito de control de fase con un SCR y un UJT. MATERIAL Y EQUIPO

1 lámpara incandescente de 100W a 120volts corriente alterna 1 R1= resistencia de 22kΩ a 5watt 1 D1= diodo rectificador 1N4004. 1 R2= resistencia de 10k Ω a 1/2watt 1 POT1= potenciómetro de 100KΩ 1 C1= capacitor cerámico de 0.082 μF.

1T1= UJT 2N2646. 1 R3= resistencia de 1k Ω a 1/2watt. 1 R4= resistencia de 100Ω a 1/2watt. 1 T2= SCR C106D. 1 protoboard 1m de alambre calibre 22 de 1 polo. 1 multímetro digital con puntas de prueba. 1 fuente de corriente alterna a 120v. 1 osciloscopio de doble trazo con puntas de prueba. 1 base para lámpara incandescente. 1 manual de semiconductores NTE.

PROCEDIMIENTO:

1. Localizar en el manual de semiconductores ECG la disposición de los tiristores a emplearse. Anotar la configuración de las terminales en una hoja de especificaciones.

2. Armar el circuito de la figura 1 en el protoboard. 3. Conectar el circuito armado a una fuente de alimentación de corriente alterna de 120v.

30


4. Variar el valor del potenciómetro para observar la regulación de intensidad de la lámpara. 5. Mediante el uso del multímetro digital medir el voltaje de la lámpara en el momento que se varia

el potenciómetro para observar la variación del voltaje. 6. Conectar el osciloscopio en paralelo con la lámpara para observar la forma de onda de salida y

el ángulo de disparo del SCR. (control de fase). Nota: se recomienda revisar cuidadosamente el circuito antes de conectarlo, para evitar que se dañe el SCR.

PRÁCTICA

TEMA:CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC

OBJETIVO El estudiante debe ser capaz de implementar un circuito que contenga un triac con

polarización para corriente alterna doméstica, y utilizarlo en el control de una carga que tenga aplicación práctica dentro de la vida cotidiana.

DESCRIPCIÓN BÁSICA

CONTROL DE POTENCIA CON TRIAC El triac (triodo de corriente alterna), tiene muchas aplicaciones prácticas dentro del campo

de la electrónica de potencia. Como ejemplos podemos mencionar: el control de intensidad de una lámpara incandescente, el control de velocidad de un motor de corriente alterna, el control de giro de un taladro eléctrico, etc.

En esta práctica de laboratorio proporcionamos un circuito base (Figura 1), para controlar

una carga como puede ser una lámpara incandescente o un motor de corriente alterna.

Dentro de las características del circuito se encuentran las siguientes: 1. Muchos de estos circuitos reguladores de potencia tienen un punto de encendido y apagado que

no coincide (a esto se le llama histéresis), que es común en los TRIACS. Para corregir este defecto se incluye en el circuito las resistencias R1, R2 y el capacitor C1.

2. El conjunto formado por la resistencia R3 y el capacitor C3 se utiliza para filtrar los picos transitorios de alto voltaje que pudieran aparecer en el momento en que se está probando el circuito.

3. El conjunto de elementos P (potenciómetro) y C2 son los necesarios mínimos para que el triac sea disparado.

4. El triac controla el paso de la corriente alterna a la carga conmutando entre los estados de conducción (pasa corriente) y corte (no pasa corriente) durante los semiciclos negativos y positivos de la señal (110 / 220, la señal de corriente alterna que viene por el enchufe de nuestras casas)

31


5. El triac se dispara cuando el voltaje entre el capacitor y el potenciómetro (conectado a la compuerta del TRIAC) sea el adecuado.

6. Hay que aclarar que el condensador en un circuito de corriente alterna (como este) tiene su voltaje atrasado con respecto a la señal original, y cambiando el valor del potenciómetro, varío la razón de carga del condensador, el atraso que tiene y por ende el desfase con la señal alterna original.

7. Esto causa que se pueda tener control sobre la cantidad de corriente que pasa a la carga y por ende la potencia que se le aplica.

FIGURA 1. Circuito de control de intensidad de una lámpara incandescente con TRIAC y DIAC.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADOS 1 R1=Resistencia de 47 KΩ a ½ watt 1 R2=Resistencia de 47 KΩ a ½ watt 1 R3=Resistencia de 100 Ω a ½ watt 3 C1, C2, C2= Capacitores de 0.1 μF a 250 volts 1 P=Potenciómetro de 100 KΩ logarítmico 1 Triac a 8 Amperes 1 Lámpara incandescente a 110 volts de corriente alterna 1 Multímetro digital con puntas de prueba 1 Osciloscopio con puntas de prueba 1 Protoboard 1m Alambre calibre 22 de una línea 1 Manual de semiconductores ECG 1m Cable duplex calibre 14 TWG 1 Clavija

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

1. Mediante el uso del Manual de semiconductores ECG, buscar la disposición de terminales del triac y anotarla en una hoja de especificaciones.

2. Mediante el uso del Multímetro Digital comprobar que el voltaje de la fuente de alimentación de corriente alterna esté produciendo los 110 volts.

32


3. Armar en el protoboard el circuito de la figura 1, teniendo cuidado en las conexiones para evitar dañar los componentes electrónicos, aplicando en serie un DIAC en la compuerta del TRIAC.

4. Conectar como carga una lámpara incandescente de 110 volts de corriente alterna.

5. Conectar en paralelo con la carga un osciloscopio de doble trazo para poder visualizar la forma de onda.

6. Variar el potenciómetro y observar el efecto producido en la lámpara y el cambio producido en la forma de onda.

DIAC (Diode Alternative Current). Diodo de disparo bidireccionalDIAC (Diode Alternative Current). Diodo de disparo bidireccionalControl de potencia en corriente alterna (AC)

El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión). Tiene dos terminales: MT1 y MT2. Ver el diagrama.

El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.

El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.

Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.

La curva característica del DIAC se muestra a continuación

En la curva característica se observa que cuando

- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito

33


Sus principales características son:- Tensión de disparo- Corriente de disparo- Tensión de simetría (ver grafico anterior)- Tensión de recuperación- Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt).

Electrónica de Potencia MANUAL 1

Documents

Transcript of Electrónica de Potencia MANUAL 1