Electronica de Potencia

MANUAL DE PRACTICAS

ELECTRONICA DE POTENCIA

M. en C. Genaro Ochoa Cruz

Y APROBADA POR EL SIGUIENTE COMITE

Ing. Primitivo San Juan Elıas

Jefe de Carrera

M. en C. Genaro Ochoa Cruz

Presidente de Academia

Ing. Oscar Castro Urrutia

Secretario de Academia

Ing. Ignacio Luna Gonzalez

Miembro del Departamento

Ing. Alvaro Flores Osorio

Miembro del Departamento

4 de Marzo de 2014

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR

DE TIERRA BLANCA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA

CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS AUTOMATICOS

INDUSTRIALES


MANUAL DE PRACTICAS

Presenta:

M. EN C. GENARO OCHOA CRUZ

i

RESUMEN del manual de practicas de M. EN C. GENARO OCHOA CRUZ,

presentada como requisito parcial para la liberacion de horas de descarga en el DEPAR-

TAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA con ESPECIALIDAD EN SISTEMAS

AUTOMATICOS INDUSTRIALES con orientacion en CONTROL AUTOMATICO.

Tierra Blanca, Veracruz, Marzo de 2014.


Resumen aprobado por:

Ing. Primitivo San Juan Elıas

Jefe de Carrera

Se presenta un manual de practicas de la materia de Electronica de Potencia, el

cual ayude a reforzar los conocimientos adquiridos en clase, con esto se pretende que

el alumno obtenga un mayor entendimiento de un sistema fısico y la manera en como

puede ser controlado, dependiendo de sus caracterısticas fısicas.

Dentro del curso a nivel universitario de Electronica de Potencia, es muy importante

estar familiarizado con la forma de operacion de los dispositivos actuales. Es por esta

razon que el contenido de la primera unidad de este manual de practicas se muestran las

caracterısticas del transistor de compuerta aislada IGBT, diodo de potencia y tiristores.

Desde la primera unidad se incluyen modelos elaborados en Matlab & Simulink

utilizando la librerıa Sympower, con estos modelos y su simulacion se pueden obtener

resultados muy importantes para ser estudiados.

Despues de conocer los dispositivos individualmente, se continua con la forma de

operacion y los dispositivos necesarios para construir un conversor de corriente alterna

a corriente directa (CD/CA). Debido a que estos son uno de los convertidores mas

difundidos en las posteriores practicas se presentan los convertidores no controlados y

los convertidores controlados, dentro de cada uno se incluye un convertidor monofasico

y uno trifasico.

En los coversores de corriente directa a corriente alterna, descritos en la unidad

numero 5, su alimentacion es presentada como una fuente de corriente directa, aunque

en la realidad estos dispositivos muchas veces son alimentados por un rectificador. Pero

lo mas importante, en este caso, es su forma de operacion, el control de su frecuencia y

su distorsion armonica total.

Los conversores de corriente directa a corriente directa son el equivalente de los

transformadores de corriente alterna, por su capacidad de reducir o elevar el voltaje.

ii

Este tipo de conversores es presentado en la Unidad 5, aquı se muestran los parametros

que controlan el voltaje de salida y sus limitaciones.

Aunque el transformador es una maquina altamente eficiente para la conversion

de energıa, modificando el nivel de voltaje, no resulta la mejor opcion para modificar

el voltaje en rangos continuos. En estos casos se usan los conversores de corriente

alterna a corriente alterna, en la Unidad 5 seguiremos viendo este tema, estudiando sus

limitaciones y su forma de controlar el voltaje utilizando elementos semiconductores.

Como se menciono al principio, en cada unidad se incluye una gran variedad de

modelos y los resultados de sus simulaciones, logrando la union de los conocimientos

teoricos con el uso de programas computacionales.

Palabras Clave: Triac, Diac, Tiristor, Cicloconvertidor, Convertidor (CA/CD), (CA/CA),

(CD/CA) y (CD/CD).

iii

Introduccion.

El presente manual de practicas de laboratorio, fue elaborado para enriquecer la

materia de Electronica de Potencia de una manera amena y divertida, mediante

la utilizacion del Software MatLab & Simulink y un programa de simulacion de

circuitos (Multisim, Orcad, PSpice, etc.).

Con este manual se pretende que el alumno adquiera un mejor conocimiento de la

materia, a la vez que adquiera la capacidad de autoaprendizaje y de esta manera pueda

hacer frente ante cualquier situacion.

En la actualidad, el crecimiento de la electronica y dispositivos de estado solido ha

sido imparable y acelerado. Hace, aproximadamente, unos veinte anos era impensable

encontrar en el mercado diodos o transistores capaces de manejar altas potencias a

precios razonables, pero en los dıas actuales esta tecnologıa, aunque aun se encuentra

en desarrollo, ya tiene mayor presencia en las industrias y el mercado.

Se investigo el uso de Matlab en el enorme potencial, no solo en el area de ingenierıa

electronica, sino en cualquier ciencia. Se aprovecho la elaboracion de este manual de

practicas para aprender a utilizar este programa e incluirlo como una herramienta de

aprendizaje de la electronica de potencia.

La electronica de potencia es una rama bastante amplia pero se fundamenta en

los dispositivos semiconductores ya conocidos en la electronica de pequenas senales.

Con estos dispositivos se pueden formar conversores, por medio de los cuales es posible

manipular la forma de la energıa de acuerdo a las exigencias de las cargas. Cada

conversor puede ser utilizado solo o en combinacion con otro conversor de diferente

funcionamiento.

El equipamiento de un laboratorio para electronica de potencia, o cualquier disci-

plina enfocada en potencia, es demasiado costoso para muchas Universidades y Tec-

nologicos, incluyendo al Instituto Tecnologico Superior de Tierra Blanca. Pero,

actualmente, las computadoras son una herramienta mas y no solo en las empresas,

pues muchas personas cuentan con una computadora personal en sus hogares. Con los

programas computacionales adecuados y el conocimiento de cualquier ciencia exacta

se pueden lograr grandes avances al hacer converger ambas cosas en la simulacion por

computadora de modelos matematicos.

En el desarrollo de este trabajo ha sido de gran utilidad el programa Matlab y

la librerıa SimPowerSystems parte de una librerıa aun mayor llamada Simulink

dedicada a dispositivos empleados en sistemas de potencia. En ella se pueden encontrar

desde una resistencia hasta una pequena red para simulacion de estudios de flujos de

iv

potencia, pasando por una gran variedad de elementos pasivos y activos. Si los modelos

incluidos en esta librerıa no satisfacen las necesidades del usuario, el programa le deja

en libertad de crear sus propios modelos, donde se pueden incluir todas las variables y

condiciones iniciales que se deseen.

Todos los modelos que se encuentran en este trabajo han sido elaborados y simula-

dos por el autor en una computadora personal. Las graficas presentadas corresponden

tambien a los resultados obtenidos por el autor, como consecuencia de dichas simu-

laciones. De la experiencia vivida en el proceso de autoaprendizaje de electronica de

potencia y utilizacion de Matlab & Simulink, se afirma que esta es una gran her-

ramienta, la cual en un futuro no muy lejano, debe ser incluida en el plan de estudios,

no solo de Ingenierıa Electronica, sino de cualquier ingenierıa u otra ciencia.

v

Contenido

Pagina

Resumen i

Introduccion iii

Justificacion iii

Contenido v

Lista de Figuras ix

Lista de Tablas xii

I. Introduccion a la Electronica de Potencia y Circuitos de Disparo. 1I.1 Introduccion a la librerıa simpowersystem. . . . . . . . . . . . . . . . 1

I.1.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1I.1.2 Introduccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2I.1.3 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2I.1.4 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2I.1.5 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

I.2 Modelo de un Circuito de Corriente Alterna Monofasica . . . . . . . 7I.2.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7I.2.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7I.2.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8I.2.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

I.3 Corriente Alterna Trifasica con carga RL. . . . . . . . . . . . . . . . 11I.3.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11I.3.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11I.3.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12I.3.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

I.4 Modelo de un diodo en un circuito de corriente alterna. . . . . . . . 15I.4.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15I.4.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15I.4.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15I.4.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

I.5 El Tiristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18I.5.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18I.5.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18I.5.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19I.5.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

vi

Contenido (continuacion)

Pagina

I.6 El Transistor IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22I.6.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22I.6.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22I.6.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24I.6.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

I.7 Circuito de disparo RC Sin Aislamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . 27I.7.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27I.7.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27I.7.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

I.8 Circuitos de disparo con aislamiento Optico (4n25 ) y transistor depotencia (TIP 31 ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31I.8.1 Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31I.8.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31I.8.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32I.8.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

I.9 Inversion de giro de Motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34I.9.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34I.9.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34I.9.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35I.9.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

I.10 Circuitos de disparo con aislamiento Magnetico. . . . . . . . . . . . . 37I.10.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37I.10.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37I.10.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38I.10.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

I.11 Circuitos de disparo con dispositivos digitales (Timer 555 ). . . . . . 41I.11.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41I.11.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41I.11.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

I.12 Circuito detector de cruce por cero con 4n25. . . . . . . . . . . . . . 48I.12.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48I.12.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48I.12.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

I.13 Modulador de Ancho de Pulso (PWM) con LM555. . . . . . . . . . . 50I.13.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50I.13.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50I.13.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

I.14 Circuito Control de Fase (Dimmer). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

vii


Pagina

I.14.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53I.14.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53I.14.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54I.14.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

I.15 Luz de Emergencia con SCR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56I.15.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56I.15.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56I.15.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

I.16 Control de Temperatura para Cautın. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59I.16.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59I.16.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59I.16.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

I.17 Encendido de carga resistiva utilizando aislamiento optico (MOC 3011 )y Tiristor (Triac). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63I.17.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63I.17.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63I.17.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64I.17.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

I.18 Encendido de carga inductiva utilizando aislamiento optico (MOC3011 ) y Tiristor (Triac). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66I.18.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66I.18.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66I.18.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67I.18.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

II. Circuitos Convertidores. 68II.1 Convertidor de CD a CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

II.1.1 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68II.1.2 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68II.1.3 Desarrollo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69II.1.4 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

REFERENCIAS 72

A. Formato de Reporte de Practicas. 73A.1 Hoja de Presentacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73A.2 Introduccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73A.3 Objetivo General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73A.4 Objetivos Especıficos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

viii


Pagina

A.5 Desarrollo Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74A.5.1 Marco Teorico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74A.5.2 Diseno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74A.5.3 Pre-Reporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.6 Desarrollo Practico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74A.6.1 Material y Equipo a Utilizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74A.6.2 Procedimiento y Resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.7 Cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75A.8 Conclusiones y Recomendaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75A.9 Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

ix

Lista de Figuras

Figura Pagina

1 Librerıa simpower en simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Despliegue de funciones de simpower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Circuito R con fuente de 220V DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Grafica de corriente directa a traves de una resistencia de 220Ω. . . . . 5

5 Circuito R con fuente de 220V AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

6 Grafica de corriente alterna a traves de una resistencia de 220Ω. . . . . 6

7 Modelo de un Circuito RL de Corriente Alterna Monofasica. . . . . . . 8

8 Bloque para medir voltaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

9 Grafica de Corriente, Voltaje y Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

10 Grafica de Corriente, Voltaje y Potencia con R = 1Ω. . . . . . . . . . . 10

11 Modelo trifasico con carga balanceada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

12 Modelo trifasico con carga balanceada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

13 Diodo en polarizacion directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

14 Modelo de corriente alterna con un diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . 16

15 Graficas de voltaje y corriente contra tiempo del modelo de la Figura 14 . 16

16 Sımbolo de un Tiristor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

17 Modelo de un circuito de corriente alterna con tiristor . . . . . . . . . . 19

18 Graficas de voltaje en la fuente, generador de pulsos, corriente y voltajeen la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

19 Sımbolo de un transistor de compuerta aislada IGBT. . . . . . . . . . . 23

20 Modelo de un transistor IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

21 Corriente y voltaje entre colector y emisor, voltaje en la carga, voltajeen la compuerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

22 Circuito Astable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

23 Sentido de carga de los capacitores con Q1 en en conduccion y Q2 cortado. 28

x

Lista de Figuras (continuacion)

Figura Pagina


25 Circuito Oscilador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

26 Optoacoplador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

27 Tipos de Optoacopladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

28 Circuito de potencia acoplado opticamente utilizando TIP 31. . . . . . 33

29 Diagrama interno del L293. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

30 Conexionado para un motor con giro en ambos sentidos (lado izquierdo)y con motores con giro en sentido unico en dos salidas (lado derecho). . 35

31 Circuito inversor de giro de un motor de CD utilizando Microcontroladory L293. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

32 Funcionamiento del Relevador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

33 Funcionamiento del Relevador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

34 Encendido de un motor de CD, utilizando un Relevador. . . . . . . . . 39

35 CI y arquitectura interna de un Timer 555. . . . . . . . . . . . . . . . . 41


37 Salida oscilador astable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

38 Configuracion Monoestable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

39 Salida oscilador Monoestable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

40 Detector de cruce por cero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

41 Salida del detector de cruce por cero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

42 CI y arquitectura interna de un Timer 555. . . . . . . . . . . . . . . . . 50

43 Circuito Controlador de Velocidad utilizando LM555. . . . . . . . . . . 52

44 Vista fısica y simbolo del Diac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

45 Circuito regulador de intensidad (Dimmer). . . . . . . . . . . . . . . . 55

46 Circuito de Luz de emergencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

xi

Lista de Figuras (continuacion)

Figura Pagina

47 Cautın tipo Lapiz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

48 Circuito de Control de Temperatura para Cautın. . . . . . . . . . . . . 62

49 Circuito de encendido de un Foco de 100W utilizando optoacopladoresy Triac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

50 Circuito convertidor de 12 VCD a 127 VCA. . . . . . . . . . . . . . . . 70

xii

Lista de Tablas

Tabla Pagina

Practicas Unidad I

Introduccion a la Electronica de Potencia yCircuitos de Disparo.

I.1 Introduccion a la librerıa simpowersystem.

I.1.1 Objetivos.

* Introducir al estudiante al uso de los sistemas electronicos de potencia.

* Aprender a utilizar la librerıa Simpowersystems de Matlab & Simulink.

* Comprender la forma en que Matlab nos ayuda a resolver circuitos electronicos y

tiene la capacidad se simular con una calidad mucho mayor.

* Realizar la simulacion de un circuito con una resitencia y una fuente de voltaje

de 220V CD a 60Hz.

* Realizar la simulacion de un circuito con una resitencia y una fuente de voltaje

de 220V CA a 60Hz.

* Realizar la medicion de corriente de ambos circuitos y observar su comportamiento.

2

I.1.2 Introduccion.

La electronica de potencia es todo lo referente a la conversion y el control de la energıa

electrica, al ser transformada de una forma hacia otra, por medio del uso de disposi-

tivos activos (semiconductores de estado solido) y dispositivos pasivos (transformadores,

inductores, capacitores, etc.). Ambos grupos tienen como principal caracterıstica la ca-

pacidad de manejar altas corrientes y altos voltajes, lo que puede ser traducido en altos

niveles de potencia. Estos pueden ir desde algunos VA, hasta cientos de MVA.

A diferencia de la electronica de bajas corrientes, donde lo mas importante es la

ganancia y la alta fidelidad, en la electronica de potencia las caracterısticas principales

son el rendimiento y la confiabilidad en el manejo de cantidades considerables de energıa.

I.1.3 Marco Teorico.

Como sabemos, Matlab es utilizado para simular y controlar sistemas fısicos, de la

misma forma contiene dentro de Simulink una librerıa llamada simpowersystems el

cual nos permite modelar en combinacion con la librerıa simulink circuitos electronicos

de forma grafica, como si se estuviera utilizando un software especializado en circuitos

electricos ya sea, workbench, Pspice, etc. Por lo tanto el presente manual esta dedicado

a utilizar esta librerıa (simpowersystems) para realizar la simulacion de dispositivos

electronicos de potencia y comprender de manera mas completa y clara la forma en que

estos funcionan.

La grafica 1 muestra, la parte en donde esta la librerıa de simpower, es ahı en donde

se debe dar click para que despliegue el menu de funciones de esta librerıa.

Al seleccionar la librerıa de simpower tenemos la figura 2.

En ella podemos ver, que tenemos varias funciones, entre ellas se encuentran: Power

electronics, Measurements, Machines, Elements, Electrical sources, entre otras. Las que

vamos a utilizar estan dentro de ellas y cada una despliega un submenu en donde se

encuentran todos y cada uno de los elementos a ocupar.

I.1.4 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

1 Software MatLab 7.8.0, librerıa Simulink y Simpowersystems.

3

Figura 1. Librerıa simpower en simulink.

Procedimiento y Resultados.

Realizar el circuito de la Figura 3 en Matlab, con ayuda de la librerıa simpowersystems.

1. Abrir Matlab, dar click en la ventana de simulink y abrir una nueva ventana.

2. De la ventana de simulink, dar click en la librerıa de simpowersystems, dar click

en Electrical Sources, seleccionar y arrastrar el bloque DC Voltage Source, dar

doble click sobre el bloque y colocar el valor correspondiente.

3. Ahora, seleccionar el bloque Parallel RLC Branch y arrastrarlo a la ventana

de trabajo. Dar doble click, y en Branch type seleccionar R y por ultimo en

Resistance R colocar el valor correspondiente.

4. Seleccionar y arrastrar de la ventana del simpower, en la subventana Measure-

ments el bloque Current Measurement y colocarlo en la ventana de trabajo.

4

Figura 2. Despliegue de funciones de simpower.

Figura 3. Circuito R con fuente de 220V DC.

5. Seleccionar, ahora de la librerıa simulink en sinks un bloque Scope y colocarlo en

la ventana de trabajo.

6. Ahora dar click sobre la ventana de simpowersystems y seleccionar el bloque

powergui y arrastrarlo a la ventana de trabajo. Dar doble click sobre el bloque y

dar click despues en Configure Parameters, en Simulation type seleccionar Discrete

y dar ok.

5

7. Por ultimo unir los bloques como marca el esquema y correr la simulacion.

Al termino de la practica debera presentar un resultado igual a la grafica 4, en ella se

presenta la corriente y se observa que debido a que es corriente directa no sufre cambios

a lo largo del tiempo.

Figura 4. Grafica de corriente directa a traves de una resistencia de 220Ω.

Ahora procedemos a realizar el circuito de la Figura 5, esta vez con una fuente de

corriente alterna.

Figura 5. Circuito R con fuente de 220V AC.



en Electrical Sources, seleccionar y arrastrar el bloque AC Voltage Source, dar







6






y dar ok.


Al termino de la practica debera presentar un resultado igual a la grafica 6, en ella

se presenta la corriente y se observa que debido a que es corriente alterna este va a

tener cambios a lo largo del tiempo debido a que es una onda senoidal.

Figura 6. Grafica de corriente alterna a traves de una resistencia de 220Ω.

I.1.5 Cuestionario.

1.- Cual es la ventaja mas importante de utilizar la librerıa de simulink simpowersys-

tems en comparacion con un programa especializado, como workbench o Pspice?

R=

2.- Para que se utiliza el bloque Current Measurement?.

R=

3.- ı¿12Como seleccionamos un capacitor en dado caso de que se agregue al circuito para

trabajar en conjunto con la resistencia?.

R=

4.- ı¿12De una breve explicacion acerca del comportamiento de la corriente en la re-

sistencia?.

R=

5.- ı¿12Que diferencia existe entre la medicion de corriente de la grafica 4 y la grafica 6?.

R=

7

I.2 Modelo de un Circuito de Corriente Alterna

Monofasica .

I.2.1 Objetivos.





* Realizar la simulacion de un circuito RL y una fuente de voltaje de 220V CA a

60Hz.

* Realizar la medicion de Corriente, Voltaje y Potencia del circuito y observar su

comportamiento en el parametro tiempo.


Este tipo de corriente es mucho mas utilizado para alimentar cargas de tipo residencial,

y son los equipos de corriente directa las que utilizan este tipo de corriente como fuente

de alimentacion. Las principales razones son su facilidad para convertirla de corriente

alterna a corriente directa, de una forma economica y la necesidad de usar solamente dos

conductores. Solo algunos tipos de motores relativamente pequenos, o cargas netamente

resistivas utilizan corriente alterna monofasica sin convertirla en corriente directa. El

hecho de no utilizar en cargas grandes corriente alterna monofasica se debe a que la

potencia transmitida es pulsante y algunas veces la potencia puede alcanzar valores

negativos.

En la Figura 7 se presenta un circuito de corriente alterna monofasica con una fuente

de 220 voltios de corriente alterna y frecuencia de 60 hertzios. En este circuito existe

un nuevo bloque que realiza la multiplicacion de las senales se corriente y voltaje para

calcular la potencia instantanea, dicho bloque se encuentra en la librerıa de simulink

visto en semestre pasados, otro bloque nuevo en el circuito tiene la funcion de medir el

voltaje 8. Tanto la potencia instantanea como la corriente y el voltaje, son enviados a

un bloque scope para su visualizacion.

8

Figura 7. Modelo de un Circuito RL de Corriente Alterna Monofasica.

Figura 8. Bloque para medir voltaje.

I.2.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• Software MatLab 7.8.0, librerıa Simulink y Simpowersystems.




en Electrical Sources, seleccionar y arrastrar el bloque AC Voltage Source, dar





4. Seleccionar el bloque Parallel RLC Branch y arrastrarlo a la ventana de trabajo.

Dar doble click, y en Branch type seleccionar L y por ultimo colocar el valor

correspondiente.



9


ments el bloque Voltage Measurement y colocarlo en la ventana de trabajo como

marca el circuito.

7. Seleccionar, ahora de la librerıa simulink en commonly used blocks un bloque

product y colocarlo en la ventana de trabajo.






y dar ok.


Al termino de la practica se debera obtener una grafica como se muestra en la Figura

9, en la cual se muestra la corriente, el voltaje y la potencia con respecto al tiempo.

Figura 9. Grafica de Corriente, Voltaje y Potencia.

La segunda simulacion se realizo utilizando el mismo circuito de la Figura 7. Con

la diferencia que en este caso la carga tiene una componente resistiva de 1Ω y una

componente inductiva de 1.5 milihenrios.

La figura se puede apreciar en la grafica 10 en donde se muestra que la potencia

cambio drasticamente.

10

Figura 10. Grafica de Corriente, Voltaje y Potencia con R = 1Ω.

La potencia instantanea mostrada en la Figura 10 tiene de nuevo una forma oscilante

pero en esta ocasion hay una pequena porcion de la potencia con signo negativo. Esto

significa que cierta cantidad de potencia regresa de la carga a la fuente de alimentacion,

ocasionando que la carga no aproveche el cien por ciento de la potencia (Mendoza

(2006)).

I.2.4 Cuestionario.

1.- ¿Cual es la corriente que circula a traves del circuito RL?

R=

2.- ¿Que magnitud tiene el voltaje medido entre tierra y la resistencia, en el circuito?

R=

3.- Explique de manera analıtica, ¿Como es que se calcula la potencia y verifique que

esos datos convergen con la senal medida?

R=

4.- Explique, que pasa con la potencia si, se cambia la fuente de alimentacion de 220 V

AC a 127 V CD.

R=

5.- Explique, que pasa con la corriente una vez que se cambio la fuente de voltaje.

R=

6.- ¿Cual es el resultado de cambiar el valor de la resistencia para la segunda simulacion

y como afecta este a la potencia?

R=

11

I.3 Corriente Alterna Trifasica con carga RL.

I.3.1 Objetivos.





* Realizar la simulacion de un circuito RL y una fuente de voltaje Trifasica a 60

Hz.

* Realizar la medicion de Corriente, Voltaje y Potencia del circuito y observar su

comportamiento en el parametro tiempo.


En la mayorıa de sistemas de generacion, transmision y conversion de potencia electrica

se utiliza corriente alterna trifasica. Para la produccion de corriente trifasica se utilizan

tres generadores monofasicos, de los cuales sus voltajes son iguales en magnitud pero

estan separados entre sı un angulo de fase de 120o. Esto produce un grupo de tres

corrientes separadas 120o entre sı.

Algunas de las razones por las que se utilizan sistemas trifasicos son: Se puede

obtener mas potencia por libra de metal de una maquina trifasica comparada con una

monofasica. La potencia suministrada a una carga trifasica es constante a traves del

tiempo y no oscilante como la que puede brindar un sistema monofasico. Con en-

ergıa trifasica se puede alimentar motores de induccion, que no necesitan de devanados

especiales, ni de primotores para sus sistemas de arranque.

Utilizando un circuito simple de corriente trifasica, como el mostrado en la Figura

11, se puede llevar a cabo la simulacion. Este circuito consta de una fuente de voltaje

de corriente alterna trifasica conectada en Y, que alimenta una carga balanceada con

Zfase = 12 + j9Ω tambien conectada en Y. La fuente tiene una impedancia interna de

ZG = 0.06 + j012Ω. El bloque de medicion genera las senales de corriente y voltaje de

las tres fases multiplexadas en una sola senal. El bloque identificado como producto

realiza la multiplicacion de las senales de corriente y voltaje para calcular la potencia

instantanea.

12

Figura 11. Modelo trifasico con carga balanceada.

Para sumar la potencia de cada fase se utiliza un bloque de suma, pero antes de

este, es necesario un demultiplexor para separar la potencia de cada fase. Las senales

de voltaje y corriente trifasica, junto con la de potencia instantanea son enviadas al

bloque de visualizacion para obtener las graficas respectivas.

I.3.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• Software MatLab 7.8.0




en Electrical Sources, seleccionar y arrastrar el bloque Three - Phase Source, dar


3. Ahora, seleccionar el bloque Three - Phase V - I Measurements de la ventana de

Measurements y arrastrarlo a la ventana de trabajo.

4. Seleccionar el bloque Three - Phase V - I Series RLC Branch y arrastrarlo a la

ventana de trabajo. Dar doble click, y en Branch type seleccionar RL y por ultimo

colocar el valor correspondiente en cada uno de ellos.

5. Seleccionar, ahora de la librerıa simulink en commonly used blocks un bloque

product y colocarlo en la ventana de trabajo.

13

6. Seleccionar, de la librerıa simulink en commonly used blocks un bloque sum y

colocarlo en la ventana de trabajo.






y dar ok.


La grafica resultante se muestra en la Figura 12 . Aquı se representan las formas

de onda finales del voltaje, corriente y potencia instantanea en la carga. Debido a que

la carga tiene un factor de potencia de 0.8 y la presencia de la impedancia interna

del generador que aporta una componente resistiva y una inductiva, la corriente esta

atrasada respecto al voltaje.

Figura 12. Modelo trifasico con carga balanceada.

La principal caracterıstica de la energıa trifasica se hace evidente en su respectiva

grafica. Su valor es constante a traves del tiempo y no presenta ninguna oscilacion.

Esta es la mayor ventaja que un sistema de corriente alterna trifasica presenta sobre

un sistema de corriente alterna monofasico. Debido a esto la energıa trifasica es la

principal forma que se utiliza en la actualidad para sistemas de generacion, transporte

y distribucion y el consumo final.

14

I.3.4 Cuestionario.

1.- ¿Cual es la principal ventaja de utilizar una fuente trifasica para alimentar una

carga con respecto a una fuente monofasica?

R=

2.- ¿Que es el factor de potencia y cual es el factor de potencia idoneo?

R=

3.- Mencione cinco aplicaciones en donde se utilice una fuente trifasica.

R=

15

I.4 Modelo de un diodo en un circuito de corriente

alterna.

I.4.1 Objetivos.

* El alumno comprendera el uso y funcionamiento de un diodo de potencia.

* Comprendera la forma en que rectifica senales de corriente alterna.

* Analizara la forma de onda y la capacidad de trabajo de un diodo de potencia.


Los diodos son los dispositivos mas simples y economicos que existen. Los de mayor

difusion, son los fabricados con silicio, aunque existen diodos de germanio, estos no

tienen el mismo comportamiento que los de silicio ante altas temperaturas, pero son

utilizados en otras aplicaciones. Su construccion consta de una sola union PN. Esto se

refiere a que una parte es de material semiconductor tipo P y la otra es de material

semiconductor tipo N.

Figura 13. Diodo en polarizacion directa.

Para identificar la parte positiva y negativa en un diodo se debe observar su sımbolo,

este se muestra en la Figura 13. El lado que muestra la cola de la flecha es el anodo o

parte positiva, mientras que la punta de la flecha es el catodo o parte negativa.

I.4.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.



En la Figura 14 se muestra un circuito con una fuente de voltaje de corriente alterna de

120 voltios y 60 hertzios, que esta alimentando una carga resistiva de 10 ohmios. Pero

16

la corriente suministrada esta siendo modificada por la conexion en serie, con la carga,

de un diodo rectificador.

El circuito tambien cuenta con un amperımetro y un voltımetro, que trasladan

las senales de corriente y voltaje de la carga, a un bloque de visualizacion, donde los

resultados seran desplegados para su posterior analisis.

Figura 14. Modelo de corriente alterna con un diodo.

Los resultados de la simulacion, con una duracion de 0.8 segundos, se pueden ob-

servar en la Figura 14. Ahora la corriente ya no tiene una forma senoidal, como la

mostrada en la Figura 9, donde el circuito era casi exactamente el mismo, a excepcion

de que este no incluıa un diodo. A todas luces es notable que la corriente muestra

una discontinuidad en la mitad negativa de su perıodo. El diodo permite el paso de la

corriente solo cuando su anodo es mas positivo que su catodo.

Figura 15. Graficas de voltaje y corriente contra tiempo del modelo de la Figura 14 .

Debido a que la fuente de alimentacion es de corriente alterna, el voltaje aplicado

al anodo del diodo tiene la forma:

v(t) = vmax sin(Ωt) (1)

Para encontrar el perıodo en que el diodo conduce basta con resolver la siguiente

desigualdad:

17

vmax sin(Ωt) > 0 (2)

La solucion de la desigualdad 2 es:

2nπ < Ωt < (2n+ 1)π (3)

En donde:

n = 0, 1, 2, 3, ...

I.4.4 Cuestionario.

1.- Explique el funcionamiento de un diodo ideal de tipo Silicio

R=

2.-Explique la utilidad principal que se les da a los diodos.

R=

18

I.5 El Tiristor.

I.5.1 Objetivos.

* El alumno comprendera el uso y funcionamiento de un Tiristor.

* Comprendera la forma en que entra en estado de conduccion y la forma en que

se pone en estado de bloqueo.

* Desarrollara circuitos en Simulink con ayuda de la librerıa simpowersystems.


Introduccion.

Los tiristores son dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn). Tiene tres

terminales, el anodo, catodo y compuerta. La Figura 16 muestra el sımbolo de un

tiristor, el anodo esta identificado con la terminal A, el catodo con la terminal K y

la compuerta con la terminal C. Como en los diodos, la corriente solo puede seguir

una direccion y esta indicada por la flecha de su sımbolo. Su forma de operacion

es como la de un interruptor con encendido controlado y apagado automatico. Algo

muy importante en el uso de tiristores es que tienen perdidas muy bajas cuando estan

conduciendo corriente, y por esto, son capaces de manejar mayores potencias.

Figura 16. Sımbolo de un Tiristor.

Tiristor en polarizacion directa.

Un tiristor es muy parecido a un diodo, por esta razon, para polarizarlo directamente el

anodo debe ser mas positivo que el catodo, este estado se conoce como bloqueo directo.

Esto significa que la polarizacion directa no es suficiente para que empiece a conducir

la corriente a traves de el. El tiristor necesita un pulso positivo en la compuerta C para

pasar a un estado encendido y permitir que la corriente circule.

La duracion del pulso en la compuerta debe ser lo suficiente para alcanzar cierto

nivel de corriente y mantener su estado de conduccion. El valor de la corriente que

permite la conduccion a traves del tiristor se llama corriente de retencion, cuando un

19

tiristor alcanza este valor, no necesita mas del pulso en la compuerta y mantiene su

estado de conduccion, aun cuando la senal de la compuerta haya sido suspendida.

Tiristor en polarizacion inversa.

Al polarizar inversamente un tiristor su anodo es mas negativo que su catodo, por lo

tanto, no permite la conduccion de corriente, aun cuando exista el pulso de excitacion en

su compuerta.Cuando un tiristor alcanza este estado se dice que permanece en bloqueo

inverso. Algunas veces se utiliza este metodo para interrumpir el paso de la corriente en

el tiristor yabrir el circuito, o simplemente se reduce la corriente hasta un valor menor

de la corriente de retencion para bloquear el tiristor.

Si un tiristor alcanza el estado de bloqueo por polarizacion inversa, pero seguida-

mente se polariza directamente, debe recibir un pulso en la compuerta para que la

corriente fluya de nuevo a traves de el, si la compuerta no es excitada el tiristor no

conducira aunque este en polarizacion directa.

I.5.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.



Figura 17. Modelo de un circuito de corriente alterna con tiristor .

La Figura 17 es el diagrama del modelo de un rectificador de media onda, utilizando

un tiristor como elemento rectificador. La carga es una resistencia de 100 ohmios, que

20

es alimentada por una fuente de corriente alterna de 220 voltios y 60 hertzios. Dentro

del modelo hay dos voltımetros y un amperımetro para mostrar el voltaje de la fuente,

el voltaje en la carga y la corriente en la carga respectivamente. El control del tiristor

se lleva a cabo por medio de un generador de pulsos. La frecuencia de este generador

es tambien de 60 hertzios, y el desfase es de 1/720 segundos. Este desfase representa

un angulo de retraso para el disparo del tiristor de 30o.

En la Figura 18 aparecen las graficas de voltaje en la fuente, forma de onda del gen-

erador de pulsos, corriente y voltaje en la carga. Lo mas importante de estas graficas es

que el tiristor no conduce durante los ciclos de corriente negativa, y empieza a conducir

cuando recibe el pulso en la compuerta, a pesar de estar polarizado directamente.

Figura 18. Graficas de voltaje en la fuente, generador de pulsos, corriente y voltaje en lacarga.

21

I.5.4 Cuestionario.

1.- ¿Que es un Tiristor?

R=

2.- ¿Cual es la funcion que desempena un Tiristor?

R=

3.- ¿De cuantas cpas esta formado un Tiristor? Y haga un bosquejo de el.

R=

4.- ¿Que ventaja existe al utilizar un Tiristor?

R=

22

I.6 El Transistor IGBT.

I.6.1 Objetivos.

* El alumno comprendera el uso y funcionamiento de un Transistor bipolar de

compuerta aislada IGBT.

* Comprendera la forma en que entra en estado de conduccion y la forma en que

se pone en estado de bloqueo.

* Desarrollara circuitos en Simulink con ayuda de la librerıa simpowersystems.


Introduccion.

Los transistores de compuerta aislada o IGBT por sus siglas en ingles, combinan las

caracterısticas de alta impedancia en la compuerta de los transistores MOSFET, con la

capacidad de manejo de alta corriente de los transistores BJT o bipolares. Esto se logra

combinando una compuerta aislada como las de los transistores MOSFET, que funciona

como la base de un transistor bipolar, para realizar las funciones de un interruptor de

potencia en un solo dispositivo. Algunas de las ventajas en este tipo de transistores,

es el hecho de utilizar un sistema de control bastante simple y las bajas perdidas por

conmutacion y conduccion.

Debido a la compuerta aislada que se usa para el control de este transistor, las fugas

de corriente presentadas por los transistores de compuerta aislada son muy pequenas,

esto significa un manejo mas eficiente de la potencia. Esta es una de las principales

razones por las que estos dispositivos han alcanzado un enorme desarrollado en la actu-

alidad, llegando a sustituir tecnologıas tradicionales, tales como transistores bipolares

en configuracion Darlington y tiristores.

La primera generacion de estos dispositivos presentaba algunas dificultades, como

una baja velocidad de conmutacion y algunas fallas en el funcionamiento. Pero en el

presente estos transistores se utilizan en aplicaciones con niveles de voltaje mayores a

los 300 voltios y frecuencias de conmutacion de hasta 100 kHz. La Figura 19 muestra

el sımbolo de un transistor de compuerta aislada IGBT.

Este dispositivo tiene tres terminales el colector, emisor y compuerta. Las primeras

dos actuan como el colector y emisor de un transistor bipolar, permitiendo el paso de la

corriente controlada a traves de estas. Por otra parte, la compuerta funciona como la

23

compuerta de un transistor MOSFET, controlando la corriente que circula a traves del

colector y emisor por medio de la diferencia de potencial aplicada entre la compuerta

y el emisor.

Figura 19. Sımbolo de un transistor de compuerta aislada IGBT.

La principal aplicacion de estos transistores es su uso como interruptores controlados

por medio de su compuerta. Por esta razon, al estudiar este tipo de transistores, se hace

con un enfoque en dos formas de operacion. El transistor puede funcionar en corte o

saturacion entre el colector y emisor, dependiendo de la senal aplicada en la compuerta.

Transistor IGBT en saturacion.

Cuando un transistor IGBT esta en saturacion la corriente puede fluir libremente a

traves de el de colector a emisor siguiendo la direccion que indica la flecha de su sımbolo.

Aunque este dispositivo es muy eficiente, presenta una caıda de tension entre colector

y emisor, produciendo un consumo de energıa.

Normalmente el valor de tension que se presenta entre colector y emisor se encuentra

en un rango de 1.5 a 2.2 voltios, mientras que un transistor MOSFET puede presentar

caıdas de tension de hasta 5 voltios, esto hace que los transistores IGBT tengan un

mejor desempeno. Si se toma en cuenta que estos transistores trabajan con niveles de

voltaje que van desde los cien voltios hasta los miles de voltios, una reduccion de 1.5 a

2.2 voltios resulta despreciable en los circuitos practicos.

Para que un transistor IGBT alcance el punto de saturacion se requieren dos condi-

ciones. Primero, el voltaje entre el colector y emisor debe ser mayor a la caıda de

tension propia de cada transistor. Segundo, en la compuerta debe aplicarse un nivel

de tension mayor al nivel de tension existente en el emisor, esta diferencia de potencial

debe ser proporcional a la corriente deseada entre el colector y emisor del transistor.

24

Transistor IGBT en corte.

Despues que un transistor IGBT se ha llevado al punto de saturacion y la corriente fluye

entre el colector y emisor para alimentar la carga, muchas veces es necesario interrumpir

esta corriente con el objetivo de controlar la cantidad total de corriente aplicada a la

carga o permitir la liberacion de la energıa almacenada en la carga.

Cuando la compuerta se coloca a un nivel de potencial menor que el aplicado al

emisor, la diferencia de potencial entre el colector y emisor comienza a aumentar lineal-

mente, pero por un breve instante la corriente mantiene el mismo valor que circulaba

durante la etapa de saturacion, para luego comenzar a disminuir hasta alcanzar un valor

igual a cero.

Este efecto representa un leve incremento en las perdidas de energıa por interrupcion

a traves de un transistor IGBT. Estas perdidas son proporcionales a la frecuencia de

trabajo en el transistor IGBT, pues a mayores frecuencias, mayor sera el numero de veces

que se repetira el efecto antes descrito, Al igual que en un transistor BJT, el tiempo que

se mantiene la corriente despues que la tension entre colector y emisor ha comenzado

a aumentar tiende a incrementarse si aumenta la temperatura de funcionamiento del

dispositivo en cuestion.

Despues que se ha logrado interrumpir la corriente a traves del colector y emisor, se

presentan pequenas corrientes, tambien conocidas como corrientes de fuga, originadas

principalmente por los altos diferenciales de potencial existentes entre el colector y el

emisor del transistor en el momento de interrumpir la corriente.

I.6.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.



Modelo de un transistor bipolar de compuerta aislada IGBT.

En la Figura 20 aparece un circuito sencillo que ilustra la forma de operacion en un

transistor IGBT. La fuente de corriente directa alimenta con 100 voltios una carga

resistiva de 100 ohmios. El flujo de corriente aplicado a la carga es regulado por un

transistor de compuerta aislada, la corriente entra por el colector y sale por el emisor. El

generador de pulsos controla la operacion del transistor como un interruptor generando

25

pulsos a una frecuencia de 1000 hertzios y un ciclo de trabajo del 50%.

Figura 20. Modelo de un transistor IGBT.

En el modelo de la Figura 20 se utiliza un bloque que simula el funcionamiento

de un transistor IGBT, posee las tres terminales comunes de un transistor, colector,

emisor y compuerta, ademas, por medio de la terminal marcada como m se obtienen

dos senales para medicion y visualizacion. Estas senales son corriente y voltaje entre

el colector y emisor. Las senales que provee el bloque IGBT junto a la senal de un

voltımetro conectado a la carga son enviadas al bloque de visualizacion, para obtener

una respuesta grafica de su comportamiento.

Despues de simular el modelo de la Figura 20 por diez milisegundos y utilizando

el generador de pulsos a una frecuencia de 1000 hertzios se obtienen diez ciclos com-

pletos, tal y como se muestra en las graficas de la Figura 21. Las primeras dos curvas

corresponden a la corriente y voltaje entre el colector y emisor del transistor respecti-

vamente. La tercera curva es el voltaje aplicado a la carga y la cuarta curva es la senal

aplicada por el generador de pulsos a la compuerta del transistor IGBT.

Las principales caracterısticas de estas curvas son que la corriente esta en fase con

el voltaje debido al comportamiento netamente resistivo de la carga. El voltaje es la

funcion inversa de la corriente, tal y como sucede en un interruptor. El voltaje aplicado

a la carga sigue el mismo patron de senal que se inyecta en la compuerta del transistor.

26

Figura 21. Corriente y voltaje entre colector y emisor, voltaje en la carga, voltaje en lacompuerta.

I.6.4 Cuestionario.

1.- ¿Que es un Transistor IGBT?

R=

2.- ¿Cual es la funcion que desempena un Transistor IGBT?

R=

3.- ¿De cuantas cpas esta formado un Transistor IGBT?

R=

4.- ¿Que ventaja existe al utilizar un Transistor IGBT?

R=

27

I.7 Circuito de disparo RC Sin Aislamiento.

I.7.1 Objetivos.

* El alumno aprendera a realizar circuitos de disparo utilizando Transistores y cir-

cuitos resistivos y capacitivos sin Aislamiento.


Introduccion.

El circuito astable genera en su salida una onda cuadrada de frecuencia fija dependiente

de los elementos del circuito. Basicamente consta de dos transistores que, desde el

momento en que se conecta la alimentacion del mismo, alternan su conduccion en el

tiempo pasando de un estado de conduccion no estable o semiestable al estado de corte:

El circuito dispone de dos salidas desfasadas 180o, una en el colector de cada transistor.

Circuito Astable acoplado por colector.

El circuito mas simple es el que se muestra en la figura (22) y se identifica como

astable acoplado por colector. Cuando Q1 conduce, Q2 se encuentra cortado, mientras

que cuando Q1 se corta, Q2 conduce. Las salidas disponibles son vo1 y vo2, respectiva-

mente.

Figura 22. Circuito Astable.

El circuito se disena con R1 << R3 y R2 << R4 a fin de que la tension de colector

del transistor cortado alcance el valor maximo (VCC) en un tiempo despreciable frente

a la duracion de la conduccion del otro transistor. Si esta condicion se cumple las ondas

en las salidas resultan mas cuadradas y el capacitor que esta conectado al colector del

transistor cortado se carga en este semiperıodo con una constante de tiempo muy chica

comparada con el tiempo de corte del transistor (alcanza el valor final rapidamente).

Para realizar el analisis del funcionamiento del circuito se parte de la hipotesis de que el

tiempo de conmutacion de los transistores es mucho menor que el tiempo que tardan los

28

capacitores en cargarse, y de que ya se extinguio el transitorio inicial que se produce al

conectar la alimentacion. En estas condiciones, suponiendo que el circuito se encuentra

en uno de los estados semiestables, por ejemplo con Q1 conduciendo y Q2 cortado,

los capacitores C1 y C2 se cargan a traves de R3 y R2 respectivamente en el sentido

indicado en la figura (23).

Figura 23. Sentido de carga de los capacitores con Q1 en en conduccion y Q2 cortado.

La carga de cada capacitor queda determinada por los valores iniciales y finales

de tension y por la constante de tiempo (τ ic) que le corresponde, los cuales dependen

fuertemente de la zona de conduccion de los transistores. Los transistores pueden

conducir saturados o en zona activa, segun se disene el circuito, si bien el criterio mas

comun es forzar la saturacion de los mismos, tanto por mayor simplicidad del diseno

como para maximizar el cambio de tension en las salidas. Con Q1 conduciendo en zona

de saturacion la constante de tiempo de carga de C1 (τ 1c1) resulta:

τ 1c1 = R3C1 (4)

Mientras que la correspondiente a C2 (τ 2c1) queda en serie con la base de Q1 resulta:

τ 2c1 = R2C2 (5)

29

I.7.3 Desarrollo.

Equipo y material a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 2 LEDS

• 2 Transistores 2N3904

• 2 Resistencias de 1 KΩ

• 2 Resistencias de 470 Ω



• 2 Capacitores de 1 µF

• 2 Capacitores de 10 µF

• 1 Fuente Regulable a 12 VDC

• 1 Multimetro

• Pinzas

• Cables para protoboard

30


Realizar la conexion de los circuitos de las Figuras (24) y (25).


Figura 25. Circuito Oscilador.

31

I.8 Circuitos de disparo con aislamiento Optico (4n25 )

y transistor de potencia (TIP 31 ).

I.8.1 Objetivos.

* El alumno aprendera a realizar circuitos de disparo de Transistores de potencia

con aislamiento de tipo optico.


Introduccion.

La optoelectronica constituye el nexo de union entre los sistemas opticos y los sistemas

electronicos. Los componentes optoelectronicos son aquellos cuyo funcionamiento esta

relacionado directamente con la luz.

Optoacopladores. Un optoacoplador es un componente formado por la union de

un diodo LED y un fototransistor u otro semiconductor, acoplado a traves de un medio

conductor de luz y encerrado en una capsula cerrada y opaca a la luz.

Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor sera la cantidad de fotones

emitidos y, por tanto, mayor sera la corriente que recorra el fototransistor. Se trata

de una manera de transmitir una senal de un circuito electrico a otro. Observese que

no existe comunicacion electrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de

informacion pero no existe una conexion electrica: la conexion es optica. Las ejecuciones

de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique.

Figura 26. Optoacoplador.

La figura 27 muestra una seleccion de los diferentes opto acopladores tipo DIP exis-

tentes en los cuales la diferencia es el tipo de detector. Un parametro muy importante

en optos es la eficiencia, este parametro define que cantidad de corriente necesitamos

en el LED para obtener la salida deseada. En el transistor y en el darlington esto se

llama Radio de transferencia de corriente (CTR), esto es simplemente dividiendo la

corriente de salida entre la corriente de entrada requerida. En el caso de los de salida

32

Schmitt trigger y el driver de triac la eficiencia esta definida por la cantidad de cor-

riente requerida en el emisor para poder disparar la salida (IFT). El otro parametro

importante en opto acopladores es el voltaje de aislamiento el cual es de 7500 Volts

durante 1 segundo.

Figura 27. Tipos de Optoacopladores.

I.8.3 Desarrollo.

Equipo y material a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Tip 31 o Tip 41 (Transistor de Potencia)

• 1 Resistencia a 220 Ω

• 1 Resistencia de 1KΩ

• 2 Resistencias a 10KΩ

• 2 Push Botton

• 2 Capacitores ceramicos de 22pF

• 1 Cristal de Cuarzo a 4 MHz

• 1 Microcontrolador PIC 16f84a o Arduino

33

• 1 Fuente Regulable a 5 volts

• 1 Multimetro

• 1 Motor de CD

• 1 Optoacoplador 4n25

• Pinzas

• Cables para protoboard


Realizar la conexion del circuito de la Figura (28).

Figura 28. Circuito de potencia acoplado opticamente utilizando TIP 31.

I.8.4 Cuestionario.

1.- ¿Cual es la funcion que desempena el comando SERIES?

R=

34

I.9 Inversion de giro de Motor de CD.

I.9.1 Objetivo.

* El alumno aprendera a invertir el giro de un motor de CD utilizando el CI L293B.


Introduccion.

El Puente H

Es conocido que el sentido de giro de un motor de corriente continua depende de

la polaridad que se aplica a sus terminales, en consecuencia para cambiar el giro es

necesario intercambiar los terminales del motor o bien cambiar la polaridad de la ali-

mentacion.

La forma mas sencilla de controlar un motor de corriente continua de baja potencia,

en velocidad y sentido de gira, es mediante la continuacion electronica de unos circuitos

realizados basicamente con transistores que reciben el nombre de Puente en H.

El integrado L293D incluye cuatro circuitos para mejorar cargas de potencia media,

en especial pequenos motores y cargas inductivas con la capacidad de controlar corriente

hasta 600 mA en cada circuito y una tension de 4,5 V a 36 V.

Figura 29. Diagrama interno del L293.

Las salidas actuan cuando su correspondiente senal de habitacion esta en alto. En

estas condiciones, las salidas estan activas y su nivel en relacion con las entradas.

Cuando la senal de habitacion del par de circuitos de manejo esta de bajo, las salidas

estan desconectadas y en un estado de alta impedancia.

35

Figura 30. Conexionado para un motor con giro en ambos sentidos (lado izquierdo) y conmotores con giro en sentido unico en dos salidas (lado derecho).

I.9.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 2 Motores de CD

• 1 L293

• 1 Fuente Regulable

• 1 Push Bottom

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas

• 1 Microcontrolador

• 1 Cristal de cuarzo

• 2 Capacitores de 22pF

• 1 Resistencia de 10 KΩ y 100 KΩ

• Cables para Protoboard

• Pinzas

36


Realizar la conexion del siguiente circuito.

Figura 31. Circuito inversor de giro de un motor de CD utilizando Microcontrolador y L293.

I.9.4 Cuestionario.


R=

2.- ¿Cual es la funcion que desempena el comando PARALLEL?

R=

37

I.10 Circuitos de disparo con aislamiento Magnetico.

I.10.1 Objetivo.

* El alumno analizara, simulara, realizara y validara el comportamiento de un cir-

cuito de potencia utilizando aislamiento magnetico (Relevadores).


Introduccion.

La funcion de la proteccion por relevadores es originar el retiro rapido del servicio

de cualquier elemento de un sistema de potencia cuando este sufre un cortocircuito

o cuando empieza a funcionar en cualquier forma anormal que pueda originar dano e

interfiera de otra manera con el funcionamiento eficaz del resto del sistema. El equipo

de proteccion esta ayudado, en esta tarea, por interruptores que son capaces de de-

sconectar el elemento defectuoso cuando el equipo de proteccion se los manda. Estos

interruptores estan localizados de tal manera que cada generador, transformador, barra

colectora, lınea de transmision, etc. Pueda desconectarse por completo del resto del

sistema. Estos interruptores deben tener la capacidad suficiente para que puedan con-

ducir momentaneamente la corriente maxima de cortocircuito que puede fluir a traves

de ellos, e interrumpir entonces eta corriente; deben soportar tambien el cierre de un

cortocircuito semejante e interrumpirlo de acuerdo con ciertas normas prescritas. Los

fusibles se emplean donde los relevadores de proteccion y los interruptores no son justi-

ficables economicamente. Aunque la funcion principal de la proteccion por relevadores

es reducir los efectos de los cortocircuitos, surgen otras condiciones anormales de fun-

cionamiento que tambien necesitan esta proteccion. Esto es mas cierto cuando se trata

de generadores y motores. Una funcion secundaria de la proteccion por relevadores

es indicar el sitio y el tipo de la falla. Dichos datos no solo ayudan en la reprogra-

macion oportuna, sino que tambien por comparacion con las observaciones humanas y

con los registros automaticos, proporcionan medios para el analisis de la eficacia de la

prevencion de las fallas y las caracterısticas de atenuacion que incluye la proteccion por

relevadores.

Un rele es un interruptor accionado por un electroiman. Un electroiman esta for-

mado por una barra de hierro dulce, llamada nucleo, rodeada por una bobina de hilo

de cobre (Figura 32A). Al pasar una corriente electrica por la bobina (Figura 32B) el

nucleo de hierro se magnetiza por efecto del campo magnetico producido por la bobina,

38

convirtiendose en un iman tanto mas potente cuanto mayor sea la intensidad de la cor-

riente y el numero de vueltas de la bobina. Al abrir de nuevo el interruptor y dejar de

pasar corriente por la bobina, desaparece el campo magnetico y el nucleo deja de ser

un iman.

Figura 32. Funcionamiento del Relevador.

El rele mas sencillo esta formado por un electroiman como el descrito anteriormente

y un interruptor de contactos (Figura 33).Al pasar una pequena corriente por la bobina,

el nucleo se imanta y atrae al inducido por uno de sus extremos, empujando por el otro

a uno de los contactos hasta que se juntan, permitiendo el paso de la corriente a traves

de ellos. Esta corriente es, normalmente, mucho mayor que la que pasa por la bobina.

Figura 33. Funcionamiento del Relevador.

I.10.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Motor de CD

• 2 Capacitores ceramicos de 22pF

39



• 1 Relevador a 9 VCD

• 2 Push Bottom

• 1 Transistor 2N222

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas

• 1 Microcontrolador

• 1 Resistencia de 500Ω

• 1 Led



Realizar la conexion del circuito electronico Figura(34).

Figura 34. Encendido de un motor de CD, utilizando un Relevador.

40

I.10.4 Cuestionario.


R=


R=

41

I.11 Circuitos de disparo con dispositivos digitales

(Timer 555 ).

I.11.1 Objetivo.

* El alumno analizara, simulara, realizara y validara el circuito de disparo utilizando

un CI 555.


Introduccion.

El 555 es un circuito integrado cuya funcion principal es producir pulsos de tempo-

rizacion con precision, entre sus funciones secundarias estan la de oscilador, divisor de

frecuencia, modulador o generador.

Este circuito integrado incorpora dentro de si, dos comparadores de voltaje, un

flip flop, una etapa de salida de corriente, un divisor de voltaje por resistor y un

transistor de descarga. Dependiendo de como se interconecten estas funciones utilizando

componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realiza un gran numero

de funciones tales como la del multivibrador astable y la del circuito monoestable.

El 555 tiene diversas aplicaciones, como: Control de sistemas secuenciales, divi-

sor de frecuencias, modulacion por ancho de pulso, generacion de tiempos de retraso,

repeticion de pulsos, etc.

Figura 35. CI y arquitectura interna de un Timer 555.

42

Funcionamiento.

Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales 8 (+Vcc) y

1(GND) tierra; el voltaje de la fuente va desde los 5 voltios hasta 15 voltios de cor-

riente continua, la misma fuente se conecta a un circuito pasivo RC, que proporciona

por medio de la descarga de su capacitor una senal de voltaje que esta en funcion del

tiempo, esta senal de tension es de 1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado

externamente sobre la terminal 2 (TRIGGER) que es la entrada de un comparador.

La terminal 6 (THRESHOLD) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la

cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de senal externa que le sirve de

disparo.

La terminal 5(CONTROL VOLTAGE) se dispone para producir modulacion por an-

chura de pulsos, la descarga del condensador exterior se hace por medio de la terminal

7 (DISCHARGE), se descarga cuando el transistor (NPN) T1, se encuentra en satu-

racion, se puede descargar prematuramente el capacitor por medio de la polarizacion

del transistor (PNP) T2.

Se dispone de la base de T2 en la terminal 4 (RESET) del circuito integrado 555, si

no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse

directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor T2 de otro modo

se puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee.

La salida esta provista en la terminal (3) del microcircuito y es ademas la salida de

un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da mas versatilidad al circuito de

tiempo 555, ya que la corriente maxima que se puede obtener cuando la terminal (3)

sea conecta directamente al nivel de tierra es de 200 mA.

La salida del comparador ”A” y la salida del comparador ”B” estan conectadas al

Reset y Set del FF tipo SR respectivamente, la salida del FF-SR actua como senal de

entrada para el amplificador de corriente (Buffer), mientras que en la terminal 6 el nivel

de tension sea mas pequeno que el nivel de voltaje contra el que se compara la entrada

Reset del FF-SR no se activara, por otra parte mientras que el nivel de tension presente

en la terminal 2 sea mas grande que el nivel de tension contra el que se compara la

entrada Set del FF-SR no se activara.

Circuito astable basico:

Si se usa en este modo el circuito su principal caracterıstica es una forma de onda

rectangular a la salida, en la cual el ancho de la onda puede ser manejado con los valores

de ciertos elementos en el diseno.

Para esto debemos aplicar las siguientes formulas:

43

TA = 0.693 ∗ (R1 +R2) ∗ C1

TB = 0.693 ∗ (R2 ∗ C1)

Donde TA es el tiempo del nivel alto de la senal y TB es el tiempo del nivel bajo

de la senal.

Estos tiempo dependen de los valores de R1 y R2. Recordemos que el periodo es T

= 1/f.

La frecuencia con que la senal de salida oscila esta dada por la formula:

f = 1/(0.693 ∗ C1 ∗ (R1 + 2 ∗R2))

I.11.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Capacitor de 47 µF

• 1 Capacitor de 10 µF (C1)

• 1 Capacitor de 10 nF

• 2 Resistencias de 100KΩ (R1 y R2)



• 1 CI LM555 (Timer)

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas

• 1 Led


44


Realizar la conexion del circuito electronico Figura(36) cuya salida se muestra en la

figura (37).


Figura 37. Salida oscilador astable.

45

Circuito monoestable:

En este caso el timmer 555 en su modo monoestable funcionara como un circuito de

un tiro. Dentro del 555 hay un transistor que mantiene a C1 descargado inicialmente.

Cuando un pulso negativo de disparo se aplica a terminal 2, el flip-flop interno se resetea,

lo que quita el corto de C1 y esto causa una salida alta (un high) en el terminal 3 (el

terminal de salida).

La salida a traves del capacitor aumenta exponencialmente con la constante de

tiempo:

t = R1 ∗ C1

Cuando el voltaje a traves de C1 iguala dos tercios de Vcc el comparador interno

del 555 se resetea el flip-flop, que entonces descarga el capacitor C1 rapidamente y lleva

al terminal de salida a su estado bajo (low). El circuito e activado con un impulso de

entrada que va en direccion negativa cuando el nivel llega a un tercio de Vcc. Una vez

disparado, el circuito permanece en ese estado hasta que pasa el tiempo de seteo, aun

si se vuelve a disparar el circuito.

La duracion del estado alto (high) es dada por la ecuacion:

T = 1.1 ∗ (R1 ∗ C1)

El intervalo es independiente del voltaje de Vcc. Cuando el terminal reset no se

usa, debe atarse alto para evitar disparos espontaneos o falsos.

46

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Capacitor de 47 µF

• 1 Capacitor de 10 µF (C1)

• 1 Capacitor de 10 nF

• 1 Resistencia de 100KΩ (R1)





• 1 Push Buttom

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas

• 1 Led


47

Figura 38. Configuracion Monoestable.

Figura 39. Salida oscilador Monoestable.

48

I.12 Circuito detector de cruce por cero con 4n25.

I.12.1 Objetivo.

* El alumno analizara, simulara, realizara y validara el circuito detector de cruce

por cero utilizando un optoacoplador 4n25.


Introduccion.

La referencia del circuito integrado 4n25 se encuentra en la figura (26) en la pagina (31)1

Funcionamiento.

I.12.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Optoacoplador 4n25

• 1 Puente de diodos (O en su caso 4 diodos 1N4007)

• 2 Resistencias de 10KΩ (R1 y R2)

• 1 Osciloscopio

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas

• 1 Protoboard

• 1 Cable bipolar Calibre 16

• 1 Clavija

• 1 Fuente Regulable a 5 Volts


1Favor de leer la pagina (31) para un mayor entendimiento del CI.

49


Realizar la conexion del circuito electronico Figura(40) cuya salida se muestra en el

osciloscopio en la figura (41).

Figura 40. Detector de cruce por cero.

Figura 41. Salida del detector de cruce por cero.

50

I.13 Modulador de Ancho de Pulso (PWM) con

LM555.

I.13.1 Objetivo.

* El alumno comprendera y realizara un circuito Modulador de Ancho de Pulso

PWM utlizando un CI LM555.


Introduccion.

Figura 42. CI y arquitectura interna de un Timer 555.

51

I.13.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 3 Capacitores ceramicos de 100nF

• 1 Capacitor electrolıtico de 10 µF

• 2 Resistencias de 1KΩ


• 1 Potenciometro de 100kΩ

• 2 Diodos 1N4148

• 1 Diodo 1N5406


• 1 Mosfet IRF830

• 1 Motor de CD


• 1 Protoboard

• 1 Multımetro

• 1 Pinzas


52


Realizar la conexion del circuito electronico Figura(43).

Figura 43. Circuito Controlador de Velocidad utilizando LM555.

53

I.14 Circuito Control de Fase (Dimmer).

I.14.1 Objetivo.

* El alumno analizara e interpretara el control de fase y cruce por cero, aplicado a

un regulador de luminosidad en una carga resistiva.


Introduccion.

Un controlador de potencia tambien conocido como dimmer es un circuito que nos

permite controlar la potencia de alimentacion de una carga resistiva alimentada con

corriente alterna (110V AC). El dispositivo que se desarrolla en esta practica, les per-

mitira a los estudiantes controlar una lampara incandescente de hasta 300W para que

ilumine desde un rango de intensidad mınimo, hasta 100% de la potencia nominal de la

misma, para la implementacion se requiere que el alumno desarrolle la practica en un

software y ası observara y tomara en cuenta su comportamiento esperado al momento

de su implementacion fısica y de ser necesario hacer los ajustes pertinentes para su buen

funcionamiento.

El proposito de este dispositivo es poder variar la luminosidad de un foco incan-

descente para obtener una iluminacion a nuestro gusto. Este circuito no funciona con

lamparas fluorescentes y ademas las puede danar. El circuito se puede montar sin disi-

pador para trabajar con una potencia maxima de 100 watts, para obtener mas potencia

se recomienda montar un disipador para evitar que se queme el triac. Funciona en la

red de alimentacion de 110V AC y tambien en la de 220V AC. Recuerda que los capac-

itores deben soportar el voltaje en el cual funcionara el proyecto. Cuando se trabaja

con 110V AC, el potenciometro puede sustituirse por uno de 100K.

DIAC:

El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente disenado para disparar

TRIAC y Tiristores, en sı es un dispositivo disparado por tension. En su diseno tiene

dos terminales: MT1 y MT2, como podemos observar en el diagrama (Figura 44).

El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequena corriente de fuga.

La conduccion aparece cuando la tension de disparo se alcanza. Cuando la tension de

disparo se alcanza, la tension en el DIAC se reduce y entra en conduccion 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.

54

Figura 44. Vista fısica y simbolo del Diac.

Los DIAC se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt. Las

principales caracterısticas para el funcionamiento de un DIAC son:

• Tension de disparo

• Corriente de disparo

• Tension de recuperacion

• Disipacion de potencia

I.14.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Triac

• 1 Diac

• 1 Capacitor ceramico (0.47µF)

• 1 Potenciometro 500kΩ

• 1 Resistencia 20kΩ

• 1 Resistencia 22Ω

• 1 Socket

• 1 Foco 100W.

• Cable

• Pinzas

55


Conectar el siguiente circuito tal y como se muestra en la Figura (45)

Figura 45. Circuito regulador de intensidad (Dimmer).



R=


R=

56

I.15 Luz de Emergencia con SCR.

I.15.1 Objetivo.

* El alumno analizara y realizara un circuito de Luz de Emergencia en caso de que

falle la red electrica.


Introduccion.

Este sencillo circuito nos provee de una luz de emergencia operada por baterıa, que se

enciende automaticamente cuando ocurre una falla o corte en el suministro del servicio

regular de energıa CA. Cuando la energıa de la red publica es restablecida, la lampara

se apaga y la baterıa se carga automaticamente.

Este circuito es ideal para iluminar todos aquellos lugares que requieran permanen-

temente de una nivel de iluminacion mınimo, para evitar errores, accidentes o panico

colectivo en situaciones de emergencias, lugares como salas de control, ascensores, corre-

dores y escaleras, entre otros.

La operacion con base en los rectificadores controlados de silicio (SCR), hace que

este circuito este libre de mantenimiento.

Con la red CA, el condensador C1, se carga a traves del rectificador D2 y de la

resistencia R1, para obtener un voltaje negativo en la compuerta (G) de SCR. De esta

forma, se mantiene apagado el SCR, se evitan disparos por inducciones parasitas de

corriente en la compuerta y se mantiene apagada la lampara de emergencia. Al mismo

tiempo, la baterıa se mantiene totalmente cargada por medio del rectificador D1 y la

resistencia R2 que controla su corriente de carga.

Cuando la red CA falla, C1 se descarga y el SCR es disparado por la baterıa a traves

de R3, conectando la lampara de emergencia a la baterıa. El tiempo de iluminacion de

la luz de emergencia depende de la potencia consumida por la lampara y la capacidad

de la baterıa instalada.

57

I.15.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Transformador 120VCA - 12VCA

• 1 SCR C106D

• 1 Baterıa recargable a 12VCD - 10A (De moto o coche)

• 1 Capacitor electrolıtico (100µF) 25V

• 1 Resistencia 100Ω 10W (R1)

• 1 Resistencia 100Ω 0.5W (R2)

• 1 Resistencia 1kΩ 0.5W (R3)

• 2 Diodos 1N4004

• 1 Socket

• 1 Foco 12VCD.

• Cable con clavija para red electrica

• 1 Apagador sencillo

• 1 Protoboard

• Pinzas

58



Figura 46. Circuito de Luz de emergencia.

59

I.16 Control de Temperatura para Cautın.

I.16.1 Objetivo.

* El alumno analizara y realizara un circuito que controle la temperatura de un

cautın para que este no se dane pronto y su vida de trabajo sea mayor.


Introduccion.

El cautın, utilizado para soldar con estano, es una herramienta de trabajo basica para

cualquier experimentador o practicante de electronica. Los cautines electricos generan

calor debido al paso de una corriente a traves de un elemento calefactor, generalmente

un alambre de nıquel-cromo de alta resistencia devanado en forma de bobina alrededor

de un nucleo de cobre. El calor desarrollado en este ultimo se trasmite por conduccion

a la punta de la herramienta, hecha de acero inoxidable, y de esta a los puntos de union

y a la soldadura.

Figura 47. Cautın tipo Lapiz.

Los cautines electricos se fabrican en una gran variedad de marcas, modelos y estilos,

diferenciados entre sı por la potencia de operacion del elemento calefactor, la cual

es proporcional a la cantidad de calor generado. De hecho, la potencia nominal es

generalmente la consideracion mas importante que se debe tener en cuenta cuando

se selecciona un cautın para una tarea especifica. Normalmente, los cautines para

uso electronico se consiguen con potencias de 25,40 o 60 W y se alimentan de la red

60

publica de 120 o 220 VCA. Como regla general, siempre debe escoger un cautın que

no produzca mas calor del absolutamente necesario para un trabajo. De lo contrario,

pueden levantarse las pistas de los circuitos impresos y causar danos permanentes en

componentes delicados.

Debido a que los requisitos de calor para soldar componentes electricos y electronicos

son muy variados, lo ideal en un banco de trabajo serıa disponer de un cautın que se

pudiera acomodar a todas las necesidades. Con este proposito, actualmente se dispone

de cautines especiales, provistos de una base o estacion de trabajo para el control de

su temperatura. Este accesorio permite seleccionar la cantidad de calor mas adecuada

para soldar cada tipo de componente. Desafortunadamente, estos equipos, aunque son

muy practicos, tienen el inconveniente de ser algo costosos.

El controlador de este proyecto, supera esta dificultad, convirtiendo su cautın en

una estacion de soldadura, economica y facil de usar. Esto es posibleA gracias al uso

de tiristores (SCR) y tecnicas sencillas de control de potencia por variacion de angulo

de fase. Usted simplemente conecta el cautın a la unidad de control y mediante un

potenciometro, selecciona la temperatura deseada.

61

I.16.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Cautın

• 1 Piloto de luz neon para chasis a 110V

• 2 SCR C106D 4A/400V

• 2 Diac 28V HT-32

• 2 Capacitores ceramicos (0.1µF) 400V

• 1 Potenciometro 250kΩ

• 1 Resistencia 1kΩ 1/4W

• 2 Diodos 1N4005 1A/600V

• Cable con clavija para red electrica

• 1 Apagador sencillo

• 1 Protoboard

• Pinzas

62



Figura 48. Circuito de Control de Temperatura para Cautın.

63

I.17 Encendido de carga resistiva utilizando aislamiento

optico (MOC 3011 ) y Tiristor (Triac).

I.17.1 Objetivo.

* El alumno comprendera y realizara la conexion de una carga resistiva (Foco a

100W ), utilizando aislamiento optico (MOC 3011 ) y Tiristor (Triac).


Introduccion.

Existen muchos sistemas digitales que controlan a otros sistemas o realizan funciones

de control tales que deben ser interconectados a una etapa de potencia, con base a

Tiristores como lo son los Triac’s, SCR, IGB etc. El manejo de potencia, es decir

la manipulacion de altas corrientes, de hasta varios amperios, implica el tener con-

sideraciones de seguridad electrica para los operarios y de proteccion para el sistema

digital (etapa de disparo). Es deseable que la interconexion entre ambas etapas (la

de disparo y la de potencia) se haga por un medio de acoplamiento que permita ais-

lar electricamente los dos sistemas. Esto se puede lograr con los dispositivos llamados

optoacopladores, mediante los cuales se obtiene un acoplamiento optico y, al mismo

tiempo, un aislamiento electrico. Por ello tambien se les conoce como optoaisladores.

El acoplamiento se efectua en el rango del espectro infra-rojo a partir de dispositivos

emisores de luz, usualmente LED’s (diodos emisores de luz). La razon fundamental

para llevar a cabo acoplamiento optico y aislamiento electrico es por proteccion de

la etapa, ya que si ocurre un corto en la etapa de potencia, o cualquier otro tipo de

anomalıa electrica, el optoacoplador protege toda la circuiterıa digital de control. El

sistema digital lo realizamos mediante un microcontrolador PIC.

64

I.17.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Microcontrolador (PIC )

• 1 Triac

• 1 Diac

• 2 Resistencias 220Ω

• 1 Socket

• 1 Foco 100W.

• Cable

• Pinzas

• 1 Multımetro

• 1 Clavija


Realizar la conexion del siguiente circuito electronico.

Figura 49. Circuito de encendido de un Foco de 100W utilizando optoacopladores y Triac.

65



R=


R=

66

I.18 Encendido de carga inductiva utilizando ais-

lamiento optico (MOC 3011 ) y Tiristor (Triac).

I.18.1 Objetivo.

* El alumno comprendera y realizara la conexion de una carga inductiva (Motor

127 VCA), utilizando aislamiento optico (MOC 3011 ) y Tiristor (Triac).


Introduccion.

67

I.18.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Protoboard

• 1 Microcontrolador (PIC )

• 1 Triac

• 1 Diac

• 2 Resistencias 220Ω

• 1 Socket

• 1 Motor 127 VCA.

• Cable

• Pinzas

• 1 Multımetro

• 1 Clavija





R=


R=

68

Practicas Unidad II

Circuitos Convertidores.

II.1 Convertidor de CD a CA.

II.1.1 Objetivo.

* El alumno analizara el funcionamiento y disenara un circuito convertidor de

voltaje de CD (12 VCD) a CA (127 VCA a 60 Hz).

II.1.2 Marco Teorico.

Introduccion.

Un inversor, tambien llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir corriente

continua en corriente alterna. La funcion de un inversor es cambiar un voltaje de

entrada de corriente directa a un voltaje simetrico de salida de corriente alterna, con

la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el disenador. Los inversores son

utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequenas fuentes de alimentacion

para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los

inversores tambien son utilizados para convertir la corriente continua generada por los

paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterıas, etc, en corriente alterna y de

esta manera poder ser inyectados en la red electrica o usados en instalaciones electricas

aisladas.

Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es

utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta

onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciendola parecer

un poco mas una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas

de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberıan ser sinusoidal.

Los inversores mas modernos han comenzado a utilizar formas mas avanzadas de

transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac’s o los IGBT’s. In-

versores mas eficientes utilizan varios artificios electronicos para tratar de llegar a una

onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador,

en vez de depender de este para suavizar la onda.

69

II.1.3 Desarrollo.

Equipo a Utilizar.

• 1 Baterıa de 12 VCD

• 1 Placa fenolica

• 2 Transistores 2N3055

• 2 Transistores TIP 120

• 1 Transformador de 127 VCA a 12VCA con Tap Central

• 1 LM555 (Timer 555)

• 1 Flip-Flop 74LS73

• 1 Regulador de voltaje LM7805

• 2 Diodos 1N4007

• 2 Resistencias de 5KΩ



• 4 Capacitores ceramicos de 0.1µF

• 1 Lampara fluorescente

• 1 Soquet

• 1 Multımetro

• 1 Clavija

• Cloruro Ferrico

• Cable

• Pinzas

70



Figura 50. Circuito convertidor de 12 VCD a 127 VCA.

1. Este inversor consta de un oscilador que controla unos transistores, los cuales

”switchean” la corriente proveniente de la baterıa, generando una onda cuadrada.

Esta onda cuadrada alimenta un transformador que eleva el voltaje (en este caso

120 voltios), y suaviza la forma de la onda, para que parezca mas una onda

senoidal.

2. El 555 es un circuito integrado usado para generar oscilaciones y retardos de

tiempo de precision. En este caso lo usaremos para hacer un oscilador astable

(flip flop), que entrega en la pata 3 una onda cuadrada.

3. El circuito integrado 74LS73 es un flip-flop doble tipo-D, CMOS. Cada flip-flop se

puede configurar con datos, restablecimiento y entradas de reloj independientes.

4. Los circuitos integrados 555 y 74LS73, son alimentados mediante un regulador

LM7805. Este regulador pertenece a la familia de los reguladores de tension

positiva de tres terminales. Los reguladores de esta serie tienen en la pata 1, de

izquierda a derecha, la entrada de voltaje (Vi).

5. Retomando el recorrido de la senal, las senales cuadradas que entrega el 74LS73

en sus patas, son recibidas por dos transistores TIP 120. Los transistores de

71

polaridad NPN tienen su base es positiva. Esto quiere decir que al recibir la

senal, solo conducen al momento del semiciclo positivo o estado alto (1).

6. Los TIP120, son los encargados de activar los transistores de salida. En este

caso hemos utilizado 2N3055 de polaridad NPN. La corriente positiva que va del

emisor al colector de los TIP120, excita la base de los 2N3055, haciendo oscilar

los extremos del devanado primario del transformador, ya que estan conectados

a los colectores de los transistores de salida y los emisores estan a tierra. Como

el TAP central del transformador esta conectado a la baterıa, es en ese momento

que la corriente DC se convierte en corriente AC, para que el transformador pueda

elevarla y entregar el voltaje deseado en su devanado secundario.

7. Por ultimo utiliza dos diodos 1N4007, separan los semiciclos negativos entregandolos

a la baterıa en su polo negativo, cuando el circuito esta en modo de cargador.

Estos dos diodos trabajan con el transformador.

II.1.4 Cuestionario.


R=


R=

72

Referencias

Mendoza, H. (2006). Elementos de electronica de potencia.

73

Apendice A

Formato de Reporte de Practicas.

A.1 Hoja de Presentacion.

En esta seccion se colocara la hoja de presentacion con los siguientes datos:

• Nombre del Instituto Tecnologico

• Nombre y Numero de la Practica

• Nombre del Alumno

• Grado y Grupo

• Materia

• Nombre del Profesor

• Fecha de entrega (Parte inferior derecha).

A.2 Introduccion.

En este apartado, describira una pequena resena de su trabajo de practicas, el cual

debera ser escrito de tal forma que interese al lector.

A.3 Objetivo General.

Este es el objetivo principal de la practica. Lo que se desea aprender durante su

realizacion.

A.4 Objetivos Especıficos.

Es un desgloce del objetivo general. El cual debera contener cada uno de los objetivos

educacionales que se persigue al realizar esta practica.

74

A.5 Desarrollo Teorico.

En este apartado se mencionaran los siguientes puntos:

A.5.1 Marco Teorico.

Consiste en la teorıa y los principios basicos involucrados en el experimento, los cuales

son establecidos claramente por el estudiante.

A.5.2 Diseno.

Son los circuitos, diagramas, figuras o sistemas fısicos que se van a implementar en la

practica.

A.5.3 Pre-Reporte.

Son las simulaciones de los circuitos elaborados o de los sitemas fısicos implementados,

en algun software de simulacion (MatLab, Multisim, ORCAD PSPICE, Scientific Work

Place, Maple, Mathematica etc.).

A.6 Desarrollo Practico.

Este apartado debe contener la siguiente informacion.

A.6.1 Material y Equipo a Utilizar.

Se enlista todos y cada uno de los componentes necesarios para llevar a cabo la practica,

incluyendo el software, el equipo de prueba y los componentes electronicos o mecanicos

involucrados.

A.6.2 Procedimiento y Resultados.

Se establece un procedimiento paso a paso para realizar el experimento, ası como las

tablas de resultados o anotaciones con la informacion recopilada a lo largo del desarrollo

de la practica.

75

A.7 Cuestionario.

Es una serie de preguntas que el estudiante debera responder con base en la informacion

obtenida en la practica.

A.8 Conclusiones y Recomendaciones.

Las conclusiones a las que llego el estudiante, una vez terminada la practica, ası como

lo que recomienda realizar para mejorar los resultados.

A.9 Referencias.

Se mencionan las fuentes de informacion que el estudiante consulto para poder llevar

a cabo la practica. El estudiante debera ingresar en este apartado solo informacion

verıdica y comprobable (debera abstenerse de involucrar informacion consultada en in-

ternet, excepto Google Academico o paginas oficiales de alguna institucion reconocida.)1

1Cabe mencionar que este manual de practicas fue disenado, para la materia de Electronica de

Potencia (clave: ETF-1016); en la carrera de Ingenierıa Electronica, plan de estudios IELC – 2010 –

211.

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Electronica de Potencia