CIRCUITOS ELECTRONICOS DE POTENCIADispositivos de Potencia Regiones operativas de componentes
El Diodo de Potencia
Tcnicas para mejorar la VBD.
V maxI maxV directoT conmutacionAplicaciones
Rectificadores de alta tensin30 Kv0.5 A10 v.100 nsAlta tension
Proposito general5 Kv10 KA0.7 a 2.5 v25 usRectificacin a 60 Hz.
Recuperacion Rapida3Kv2 KA0.7 a 1.5 v< 5 usCircuitos conmutados
Diodos Schottky120 v300 A0.2 a 0.9 v30 nsCircuito de conmutados BT
Zener de potencia300 v75 WReferencias de tensiones
Caractersticas de catlogo:
Tensin inversa de trabajo, VRWM= mxima tensin inversa que puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha. Tensin inversa de pico repetitiva, VRRM= mxima tensin inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duracin del pico es inferior a 1ms y su frecuencia de repeticin inferior a 100Hz. Tensin inversa de pico nico, VRSM= mxima tensin inversa que puede soportar por una sola vez cada 10 ms minutos si la duracin del pico es menor a 10ms Caractersticas Dinmicas
Prdidas en los diodos
Diodo Schottky de potencia
BJT de potencia
BJT en conmutacin. Corte
BJT en conmutacin. Saturacin
BJT en conmutacin. Potencia disipada
Circuitos de excitacin de transistores bipolares. Dispositivo controlado por corriente. Tiempo de puesta en conduccin depende de la rapidez con la que se inyecte las cargas necesarias en la base del transistor. Velocidades de conmutacin de entrada se pueden reducir aplicando inicialmente un pico elevado de corriente de base y disminuyendo la corriente hasta la necesaria para mantener el transistor en conmutacin. Igualmente se necesita un pico de corriente negativa en el apagado.
Excitacin en funcin a la posicin de la carga
Esquema ejemplo.
Formulacin. Cuando la seal pasa a nivel alto R2 estar cortocircuitada inicialmente. La corriente de base inicial ser IB1.Cuando C se cargue, la corriente de base ser IB2.Se necesitar de 3 a 5 veces la constante de tiempo de carga del condensador para considerarlo totalmente cargado.La seal de entrada pasa a nivel bajo en el corte y el condensador cargado proporciona el pico de corriente negativa.
Forma de onda de la IB
Comparacin de IB con y sin L
EjemploDisear un circuito de excitacin de un BJT (TIP31C). Que tenga un pico de 1A de corriente de base y de 0.2A en conduccin. La tensin de excitacin es de 0 a 5V, cuadrada, con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutacin de 25Khz.
Simulacin del ejemplo
Potencias perdidas en ambos casos
Enclavador Baker Se usa para reducir los tiempos de conmutacin del transistor bipolar. Mantiene al transistor en la regin de cuasi-saturacin. Evita que VCE sea muy baja. Las prdidas son mayores.
Darlington.- Incrementar la Beta del transistor equivalente, con el fin de mejorar la excitacin
MOSFET. Curvas caractersticas
Diodos en antiparalelo asociados
Efecto de las capacidades parsitas en VG
El efecto de la conmutacin de otros dispositivos puede provocar variaciones importantes en la tensin de puerta debido al acoplamiento capacitivo parsito.Cuanto menor sea RG, menos se notar este efecto
Apagado y encendido en un MOSFET
Caractersticas dinmicas
Circuitos de excitacin de MOSFET Es un dispositivo controlado por tensin. Estado de conduccin se consigue cuando la tensin puerta-fuente sobrepasa la tensin umbral de forma suficiente. Corrientes de carga son esencialmente 0. Es necesario cargar las capacidades de entrada parsitas. Velocidad de conmutacin viene determinada por la rapidez con que la carga de esos condensadores pueda transferirse. Circuito de excitacin debe ser capaz de absorber y generar corrientes rpidamente para conseguir una conmutacin de alta velocidad.
Carga de las capacidades parsitas
Diferencias de excitacin con el BJT
Detalles
Ejemplo
Calcular la excitacin de un Mosfet de potencia que tiene las siguientes caractersticas: VTH=2 a 4V. VGSmx=20V VDSmx=100V Capacidades parsitas= las de la figura. Se precisa que el Mosfet conmute al cabo de 50ns o menos. Si la tensin de excitacin es de 12V y la de alimentacin es de 100V calcular la corriente necesaria y la RB que la limite.
SolucinVemos que las capacidades de entrada y salida a ms de 60V es de 300pF y 50pF respectivamente. Como ambas se tienen que cargar, necesitaremos:
Circuito propuesto
Simulacin
Funcionamiento del SCR.Caracterstica esttica del SCR
Mecanismo de cebado
Curvas V e I del SCR durante conmutacin
Formas de provocar el disparo en un SCR Corriente de puerta. Elevada tensin nodo-ctodo. Aplicacin de Vak positiva antes de que el bloqueo haya terminado. Elevada deriva Vak. Temperatura elevada. Radiacin luminosa.
Autodisparo
Autodisparo
Disparo normal
TRIAC
TRIAC. Caracterstica esttica
Cuadrantes de disparo del TRIAC Disparo de un triac.
Formas alternativas de disparo
Circuitos auxiliares
Ejemplo de V e I en una aplicacin
Circuito equivalente del IGBT
IGBT. Curva caracterstica
Caractersticas de conmutacin
Valores lmites del IGBT
Capacidades parsitas en un IGBT
Caracterstica esttica del GTO
Funcionamiento del GTO
Formas de onda de IG
Para entrar en conduccin se necesita una subida rpida y valor IG suficientes.Se mantiene una IgonPara cortar se aplica una IG negativa muy grande.Debe mantenerse una VG negativa para evitar que conduzca de forma espontnea
Circuito de excitacin de puerta del GTO
Conmutacin del GTO
Encendido por corriente positiva
Apagado del GTO por corriente negativa
Comparacin entre los dispositivos de potencia
UJTEl transistor uniunin (UJT, unijunction transistor) es un dispositivo de conmutacin del tipo ruptura. Sus caractersticas lo hacen muy til en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores, generadores de onda, y ms importante an, en circuitos de control de puerta para SCR y TRIACs.Cuando el voltaje entre emisor y base1 Veb1, es menor que un cierto valor denominado voltaje de pico, Vp, el UJT est CORTADO, y no puede fluir corriente de E a B1 (Ie=0). Cuando Veb1 sobrepasa a Vp en una pequea cantidad, el UJT se dispara o CONDUCE. Cuando esto sucede, el circuito E a B1 es prcticamente un cortocircuito, y la corriente fluye instantneamente de un terminal a otro. En la mayora de los circuitos con UJT, el pulso de corriente de E a B1 es de corta duracin, y el UJT rpidamente regresa al estado de CORTE.
UJT. Circuito equivalente.
VBB : Tensin interbase. rBB : Resistencia interbaseVE : Tensin de emisor. IE : Intensidad de emisor. VB2 : Tensin en B2, (de 5 a 30 V para el UJT polarizado). VP : Tensin de disparoIP : Intensidad de pico (de 20 a 30 A.). Vv : Tensin de valle de emisor Iv : Intensidad valle del emisor. VD : Tensin directa de saturacin del diodo emisor (de 0,5 y 0,7 V). : Relacin intrnseca (de 0,5 a 0,8)
UJT. FuncionamientoEl transistor monounin (UJT) se utiliza generalmente para generar seales de disparo en los SCR. En la figura se muestra un circuito bsico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidos como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounin tiene las caractersticas de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases rBB con valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentacin Vs, se carga el condensador C a travs de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT est en circuito abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a travs de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga. El voltaje de disparo VB1 debe disearse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilacin, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentacin Vs y est dado por:
PUT.El transistor monounin programable (PUT) es un pequeo tiristor con el smbolo de la figura. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajacin, tal y como se muestra. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentacin mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp est fijado por el voltaje de alimentacin, pero en un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo R1 y R2. Si el voltaje del nodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, se conservar en su estado inactivo, pero si el voltaje de nodo excede al de compuerta ms el voltaje de diodo VD, se alcanzar el punto de disparo y el dispositivo se activar. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentacin en Vs. En general Rs est limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.
Aplicacin con UJTRT (resistencia de carga de CT): De ellos depende la frecuencia de oscilacin. UJT: Proporciona el impulso VOB1 a la puerta del SCR. R1: Proporciona un paso a la corriente de base del UJT (IBB) antes de dispararlo. Evita que IBB circule por la puerta del SCR produciendo un disparo indeseado. Valor: El necesario para que VGK est por debajo de la mnima tensin de disparo. R2: Estabiliza el funcionamiento del dispositivo frente a aumentos de temperatura.
Aplicacin con UJT
DIACDiac (Diode Alternative Current): dispositivo bidireccional simtrico (sin polaridad) con dos electrodos principales, MT1 y MT2, y ninguno de control. Su estructura es la representada. En la curva caracterstica tensin-corriente se observa que: V(+ ) < VS ; el elemento se comporta como un circuito abierto. V(+ ) > VS; el elemento se comporta como un cortocircuito. Se utilizan para disparar esencialmente a los triacs.
Otros dispositivos de disparo
OptoacopladoresTambin se denominan optoaisladores o dispositivos de acoplamiento ptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiacin luminosa para pasar seales de un circuito a otro sin conexin elctrica. Fundamentalmente este dispositivo est formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso.
Optoacopladores
Optoacopladores
Circuito con optoacopladores
Acopladores Inductivos
Circuito Equivalente
Ejemplo de acoplo inductivo
Problemas generados por el calor
Tiempo medio entre fallos para diversos semiconductores. MIL-HDBK-217
Produccin de calor
Transferencia de calor
Transferencia de calorqc = flujo de calor por conveccin desde la superficie.hc = coeficiente de transferencia de calor de conveccin.As = superficie de transmisin de calor.q = flujo de calor por conduccin.L = longitud de conduccin.Ac = rea transversal de conduccin.k = coeficiente de conductividad trmica del material.T = diferencia de temperaturas. = coeficiente de emisividad (0 a 1) = Constante de Stefan-BoltzmannA = rea de radiacinT1 y T2 = diferencias de temperatura superficialF1,2 = factor de diferencia entre las dos superficies de los diferentes cuerpos
Conductividad trmica
Resistencias trmicas
Resistencias trmicas
Impedancia trmica
Comportamiento dinmico
Disipadores
Transitorios en las lneas de alimentacin
Topologa de proteccin
Componentes para proteccin
Caractersticas
Circuitos de proteccin
a) Proteccin en lneas equilibradas de comunicaciones.b) Proteccin contra descargas en antenas. Insuficiente proteccin de componentes posteriores.c) Gran capacidad de absorcin de corriente. Ideal para lneas de red.d) Circuito mejorado. El inductor permite la conmutacin de sobrecorriente del varistor al descargador.e) Evita la corriente de seguimiento de la red.f) Tambin evita la corriente de seguimiento de la red, pero mejora el anterior.
g) Dobla la capacidad energtica de limitacin de sobretensiones.h) Igual que el anterior pero ms rpido.i) Ideal para lneas de comunicaciones, es mejor que el circuito d, pero peor cuando los impulsos de sobretensin tienen una pendiente lenta.j) El automatismo sirve para evitar que el varistor quede cortocircuitado en caso de envejecimiento.k) Circuito bsico de proteccin en modo comn.
Protecciones contra excesos elctricos
Dispuestos de mayor a menor capacidad de disipacin de energa y de menor a mayor velocidad de respuesta.Protecciones para redEl primero es un circuito bsico que puede proteger una lnea de red en modo diferencial y en modo comn.El segundo es un circuito de proteccin en modo comn con tres escalones. Puede quedar un cierto nivel de tensin diferencial.El tercero es un circuito completo de proteccin en modo comn y en modo diferencial.
Protecciones para lneas de entrada de datos.
Protecciones con diodos supresores de sobretensiones.
Protecciones terciarias contra sobretensiones de alta frecuencia.
Proteccin de alta seguridad
Filtros de red comerciales
Proteccin contra transitorios. Snubbers
Circuito de proteccin de transistor
Prdidas en funcin a C
Formulacin.
Si la corriente del interruptor llega a cero antes de que el condensador se cargue por completo la tensin del condensador se calcula a partir de la primera ecuacin, saliendo:
El condensador se elige a veces de forma que la tensin del interruptor alcance su valor final al mismo tiempo que la corriente vale cero
Formulacin.
Para calcular el valor de la resistencia, sta se elige de forma que el condensador se descargue antes de que el transistor vuelva a apagarse. Se necesitan de 3 a 5 intervalos de tiempo para que se descargue el condensador.
Las prdidas en el transistor varan con el circuito que se aade. La primera frmula se refiere a las prdidas en el transistor sin circuito de proteccin.
Comparacin sin y con snubber.
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