Elec Aplicada 1

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ESTUDIOS SUPERIORES DE

MONTERREYMONTERREY

CAMPUS PUEBLACAMPUS PUEBLA

Electrónica AplicadaElectrónica Aplicada

PRIMAVERA 2008PRIMAVERA 2008

ITESMITESM

Objetivos Generales del curso:

El curso de Electrónica aplicada presenta los principios de operación de componentes electrónicas especializadas. Se estudian componentes tanto de baja como de alta potencia. El estudiante podrá profundizar posteriormente en el estudio de sistemas para control electrónico de potencia.

Circuitos Eléctricos IICircuitos Eléctricos II

Al finalizar este curso el alumno será capaz:1. Entender los principios de operación de los dispositivos electrónicos semiconductores de alta potencia.2. Entender los principios de operación de los amplificadores

operacionales así como algunas de sus aplicaciones.3. Entender los principios de operación de otros circuitos analógicos importantes tales como los circuitos temporizadores y los generadores de PWM.4. Entender los conceptos básicos de circuitos digitales.

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Temas y subtemas:

1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia1.3 Rectificador controlado de silicio (SCR)

1.3.1 Características de operación1.3.2 Protecciones del dispositivo

1.4 Transistor de potencia de juntura bipolar (Transistor de potencia)

1.4.1 Características de operación1.4.2 Protecciones del dispositivo

1.5 Transistor de potencia de compuerta aislada (IGBT)1.5.1 Características de operación1.5.2 Protecciones del dispositivo

1.6 Convertidores de estado solido


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Temas y subtemas:

2. Amplificadores operacionales2.1 Conceptos básicos de opamps.2.2 Características ideales del opamp.2.3 Aplicaciones básicas con el opamp ideal.2.4 Características reales del opamp.2.5 Modelación del opamp ideal en Spice.2.6 Circuito Integrador2.7 Circuito Derivador2.8 Convertidores V/V, VI y I/V.2.9 Amplificador de Instrumentación.2.10 Filtros activos


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Temas y subtemas:

3. OTROS CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS3.1 Los circuitos temporizadores.3.2 Los generadores de PWM.

4. CIRCUITOS DIGITALES4.1 Sistemas numéricos.4.2 Compuertas lógicas y álgebra boleana.4.3 Circuitos lógicos combinacionales.4.4 Flip-Flops.


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Calificación

3 exámenes parciales: 54%1 examen final: 30%Tareas: 16%Total: 100%


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Formato de exámenes

Hojas blancas o cuadrícula grande tenue. Nombre e ID en cada hoja. Una sola respuesta por hoja. Mostrar procedimientos y ecuaciones empleadas en secuencia lógica. Marcar respuestas. 100% = Respuesta correcta. Respuesta incorrecta pero procedimiento

correcto y bien planteado = 25% No copiar.


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Formato de exámenes

En los exámenes de deben sentar en grupos de dos y en los extremos de las mesas. Sí algún alumno se deja copiar, o pasa alguna respuesta se le recogerá el examen y tendrá cero en su calificación. Traer lápices, goma de borrar y calculadora.


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Formato de reportes tareas y proyectos.

I. Fundamentos teóricosII. Diseño analítico.III. Simulación y resultados.IV. Construcción física (si aplica).V. Pruebas y resultados.


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Reglas del curso.1. Tolerancia de entrada 10 min.2. Después pueden entrar pero tienen

falta.3. Si las tareas no se entregan en la fecha

especificada, tiene una penalización del 50%, si se entrega en la siguiente clase.


A menos se indique lo contrario

DA

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Reglas del curso.1. HONESTIDAD, HONESTIDAD Y

HONESTIDAD.


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1. Dispositivos semiconductores de potencia1.1 Introducción a la electrónica de potencia


La electrónica de potencia puede ser definida como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de electricidad de potencia.

Desde pocos hasta miles de amperes con voltajes 5000 Volts, mono o trifásicos.

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La electrónica de potencia combina potencia, electrónica y control

El control trata con las características

dinámicas y de estado estacionario de

sistemas de lazo cerrado

La potencia trata con el equipo estático o rotatorio de potencia para la generación, trasmisión y distribución de

la energía eléctrica

La electrónica trata con los dispositivos y circuitos de

estado sólido para el procesamiento de señales que permitan cumplir los

objetivos deseados de control.

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La electrónica de potencia se basa principalmente en la conmutación o switcheo de dispositivos semiconductores

de potencia

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Aplicaciones

Control de motores Calentamiento Iluminación Generación de electricidad Fuentes de alimentación Fuentes ininterrumpibles Sistemas de propulsión Etc..,

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Los circuitos de conversión de potencia son frecuentemente clasificados en cuatro

categorias.

Convertidores ac-ac ( cambiadores de frecuencia, cicloconvertidores)

Convertidores ac-dc (rectificadores, convertidores off-line)

Convertidores dc-ac (inversores)

Convertidores dc-dc (convertidores)

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Historia

Gate turn-off thyristor

MOS-controlled thyristorIsolated gate bipolar transistor

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Historia

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1. Dispositivos semiconductores de potencia 1.2 Familias de dispositivos semiconductores de potencia


Unidireccionales

Diodo de potencia Transistor bipolar de potencia, BJT Transistor bipolar de compuerta aislada, IGBT Rectificador controlado de silicio, SCR Rectificador controlado de silicio asimétrico, ASCR Tiristor apagado por compuerta, GTO Tiristor controlado por MOS, MCT

Bidireccionales

MOSFET de potencia Tiristor de conducción inversa Triac

Switches controlados en dirección directa y sin control en dirección inversa

Switches controlados en ambas direcciones

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Diodos de potencia

1. General-purpose diodes : up to 6000V, 4500A2. High speed (or fast-recovery) diodes : up to 6000V, 1100A

High frecuency switching of power converters reverse recovery time varies between 0.1 and 5s.3. Schottky

Low on-state voltageRecovery time nanosecondsHigh leakage currentup to 100V, 300A

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Thyristors

A thyristor has three terminals: an anode, a cathode and a gate. When a small current is passed through the gate terminal to cathode, the thyristor conducts, provided that the anode terminal is at higher potential than the cathode.

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Thyristors

1. Forced-commutated thyristor 2. Line-commutated thyristor 3. Gate-turn-off thyristor (GTO)4. Reverse-conducting thyristor (RCT)5. Static induction thyristor (SITH)6. Gate-assisted turn-off thyristor (GATT)7. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)8. MOS turn-off thyristor (MTO)9. Emitter turn-off thyristor (ETO)10.-Integrated gate-commutated thyristor (IGCT)8. MOS-controlled thyristor (MCT)

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Thyristors

Once a thyristor is in conduction mode, the gate circuit has no control and the thyristor continues to conduct.

When a thyristor is in a conduction mode, the forward voltage drop is very small; 0.5 to 2 V.

A conducting thyristor can be turned off by making the potential of the anode equal or less than the cathode potential, or by decrease main current below a specified value.

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Thyristors

Line commutated thyristors are turned off due to the sinusoidal nature of the input voltage.

Forced commutated thyristors, are turned off by a extra circuit called commutation circuitry.

Line commutated thyristors rating: 6000V, 4500ª

High-speed reverse-blocking thyristors turn-off time: 10 to 20 useg, 3000V, 3600A

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Thyristors

The turn off time is defined as the time interval between the instant when the principal current has decreased to zero after external switching of the principal voltage circuit, and the instant when the thyristor is capable of supporting a specified principal voltage without turning on.

TRIACS are similar to two thyristor connected in inverse parallel and having only one gate terminal. Triacs controls current in both directions.

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Power transistors

BJT´sPower converters < 10 kHz, 1200V, 400A, Forward drop 0.5 to 1.5 V

Power MOSFETHigh speed power converters, tens of kHz, 1000V, 100A

. IGBT´s

Voltage-controlled power transistors.Faster than BJT´s, but still not quite as fasts as MOSFET1700V, 2400 A, 20kHz

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Power transistors

Solid state triodes (SIT´s)High power, high frecuency device.Solid state version of triode vacuum tube.Similar to JFET.0.25 usec turn-off, turn-on times1200V, 300 ASwitching speed 100 kHz.Audio, VHF/UHF, microwave amplifiers

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Power devices symbols

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Rating of power semiconductors devices

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Thyristor

GTO

MCT

IGBTBJT

MOSFET

Voltage

Current

Frequency

Rating of power semiconductors devices

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Applications of power devices

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Power electronics applications

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Características ideales de dispositivos de switcheo

1. Cuando el switch está prendido, deberá tener:a). La capacidad de manejar una elevada corriente IF ( ∞).b). Una baja caida de voltaje Von ( 0).c). Una baja resistencia Ron ( 0).

2. Cuando el switch esta apagado, deberá tener:a). La capacidad de soportar un alto voltaje directo o inverso VBR ( ∞).b). Baja corriente de fuga IOFF ( 0).c). Una alta resistencia ROFF ( ∞).

3. Durante el proceso de encendido y apagado, el switch deberá ser completamente encendido o apagado de manera instantánea de tal manera que pueda operar a altas frecuencias, por lo que deberá tener:a). Un bajo tiempo de retrazo (delay time) td ( 0).b). Un bajo tiempo de crecimiento (rise time) tr ( 0).c). Un bajo tiempo de almacenamiento (storage time) ts ( 0).d). Un bajo tiempo de caída (fall time) tf ( 0).

1 y 2, condiciones de DC de estado estacionario.

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4. Para prender y apagar el switch se requiere:a). Baja potencia para el manejo del gate PG ( 0).b). Bajo voltaje para el manejo del gate VG ( 0).c). Baja corriente para el manejo del gate IG ( 0).

5. El prendido y apagado del switch deberán ser controlables. Esto es el switch deberá conducir con una señal de gate (e.g., positiva) y deberá abrirse con otra señal del gate (e.g., negativa o cero).

6. Para prender o apagar el switch se deberá de requerir una señal de pulso solamente, esto es un pequeño pulso con un ancho muy pequeño tw ( 0).

7. El switch deberá tener un elevado dv/dt, ( ∞). Esto es deberá ser capaz de manejar cambios rápidos de voltaje a través de él.

8. El switch deberá tener un elevado di/dt, ( ∞). Esto es deberá ser capaz de manejar un rápido incremento de corriente a través de él.

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9. El switch requiere una baja impedancia térmica de la unión interna al ambiente RJA ( 0) de tal manera que pueda disipar el calor generado fácilmente.

10.El switch deberá ser capaz de soportar cualquier corriente de falla por un largo tiempo, esto es, deberá tener un valor de i2t ∞.

11.Se requiere coeficientes negativos de temperatura sobre la corriente, a fin de que cuando se utilizan los switches en paralelo compartan la corriente total en partes iguales.

12.Bajo precio.

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Características de dispositivos prácticos de switcheo

Vcc

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Vcc

+- VG

iG

isw

RL

Vsw

+

-

Modelo básicoSwitch controlado

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Especificaciones de switcheo

Capacidades de voltaje.Voltajes pico repetitivos directos e inversosCaída de voltaje en modo de conducción

Capacidades de corriente.PromedioRMSPico repetitivoPico no repetitivoFuga

Frecuencia o velocidad de switcheo.fs = 1/Ts = 1/(td+tr+ton+ts+tf+toff)

di/dtPequeña bobina en serie series snubber.

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dv/dtCapacitor interno de unión Cj.Debido a cambios rápidos de corriente la corriente Cj dv/dt en Cj puede ser muy grande dañando el dispositivoRed RC en paralelo Shunt snubber o snubber.

Pérdidas de switcheo.

Requerimientos de operación del gate.

SOA (safe operating area)Area segura de operaciónFronteras

- Máximo voltaje operacional - Máxima corriente operacional (corriente límite) - Ambos, corriente y voltaje se vuelven grandes.

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I2t Para elección del fusible de protecciónI2t < capacidad del fusible

TemperaturasTemperatura de unión entre 150 y 200° C.

Resistencia térmica.QJC unión a cuerpo.QCS cuerpo a disipador.QSA disipador a medio ambiente.

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Tarea 1.

Realizar una investigación y presentarla en el formato de investigación de la IEEE de los dispositivos de potencia mencionados en clase. La investigación deberá incluir:

1.Familia de dispositivos de potencia.2.Estructura y principio de funcionamiento.3.Características principales.4.Aplicaciones.

Si la investigación no se entrega en el formato de la IEEE, tendrá una calificación de 50.

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