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AVANSYS ELECTRÓNICA INDUSTRIAL GUÍA Nº 03 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA: PARTE I Existen numerosas operaciones industriales que requieren la entrega de una cantidad variable y controlada de energía eléctrica cuatro de las más comunes de estas operaciones son: 1. Alumbrado. 2. Control de Velocidad de Motores. 3. Soldadura Eléctrica. 4. Calentamiento Eléctrico. Estas pueden lograrse usando transformadores variables y reóstatos para controlar la cantidad de corriente entregada a la carga, sin embargo estos elementos presentan ciertos inconvenientes que los hacen muy difícil de usar para ciertas aplicaciones. Por ejemplo: 1. Son voluminosos y caros. 2. Requieren Mantenimiento. 3. Desperdician Grandes Cantidades de Energía. Para eliminar estas fallas han surgido dispositivos electrónicos modernos para el control de energía suministrada entre ellos están los diodos y transistores de potencia (BJT y MOSFET) y los llamados tiristores, de estos últimos, podemos mencionar los siguientes: SCR. TRIACS DIACS ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1

Guia3 Electrónica de Potencia Dispositivos Electronicos de Potencia

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AVANSYSELECTRNICA INDUSTRIALGUA N 03DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE POTENCIA: PARTE I

Existen numerosas operaciones industriales que requieren la entrega de una cantidad variable y controlada de energa elctrica cuatro de las ms comunes de estas operaciones son:

1. Alumbrado.2. Control de Velocidad de Motores.3. Soldadura Elctrica.4. Calentamiento Elctrico.

Estas pueden lograrse usando transformadores variables y restatos para controlar la cantidad de corriente entregada a la carga, sin embargo estos elementos presentan ciertos inconvenientes que los hacen muy difcil de usar para ciertas aplicaciones. Por ejemplo:1. Son voluminosos y caros.2. Requieren Mantenimiento.3. Desperdician Grandes Cantidades de Energa.

Para eliminar estas fallas han surgido dispositivos electrnicos modernos para el control de energa suministrada entre ellos estn los diodos y transistores de potencia (BJT y MOSFET) y los llamados tiristores, de estos ltimos, podemos mencionar los siguientes: SCR. TRIACS DIACS

Entre las principales ventajas de estos dispositivos se encuentran:1. Pequeos y Relativamente Baratos.2. No Requieren de Mantenimiento.3. No Desperdician Energa.

Algunos de estos dispositivos como el SCR y el TRIACS pueden manejar cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes mayores de los 1000 V, los que los hace muy importantes en el control industrial moderno.Otros tipos de dispositivos para el control de la potencia entregada a la carga los conforman los dispositivos opto electrnicos de los cuales se hablara en su momento.1. Diodos y transistores de potencia1.1 El diodo de potencia Uno de los dispositivos ms importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, la siguiente limitacin: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conduccin. El nico procedimiento de control es invertir el voltaje entre nodo y ctodo.

Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperacin rpida) y Schottky. Los diodos de uso general estn disponibles hasta 6000 V, 4500 A, con un tiempo de recuperacin inversa de 25 s y la especificacin de los diodos de recuperacin rpida puede llegar hasta 6000 V, 1100 A. El tiempo de recuperacin inversa vara entre 0.1 y 5 s. Los diodos de recuperacin rpida son esenciales para la interrupcin de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un ctodo y un nodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperacin muy pequeo, tpicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de su nodo es ms alto que el de su ctodo; siendo la cada de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, tpicamente 0.5 y 1.2 V. Si el voltaje de ctodo es ms alto que el voltaje de nodo, se dice que el diodo est en modo de bloqueo. Como cualquier dispositivo semiconductor de unin PN, el diodo de potencia tiene dos terminales: A y K. Cuando el diodo se encuentra en polarizacin directa el voltaje atravs de el es relativamente pequea; la magnitud de esta cada de tensin depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unin. Bajo condiciones de polarizacin inversa fluye una pequea corriente de fuga o de prdida en el orden de micro o de miliamperios.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conduccin, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequea cada de tensin. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensin negativa de nodo con una pequea intensidad. Segn grafica 1Curva Caracterstica de un diodo

Grafica 1Donde: VRRM: tensin inversa mxima VD: tensin de codo. Tipos de diodos de potencia DIODOS RECTIFICADORES PARA BAJA FRECUENCIAAplicaciones: - Rectificadores de red Baja frecuencia 50 hz

DIODOS RAPIDOS (FAST) Y ULTRARAPIDOS (ULTRAFAST)Aplicaciones: - Conmutacion a alta frecuencia (> a 20 Khz) Inversores UPS Accionamiento de motores CA

DIODOS SCHOTKKY Aplicaciones: - Fuentes conmutadas. - Convertidores. - Diodos de libre circulacin. - Cargadores de bateras. DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA TENSIN):Aplicaciones: - Aplicaciones de alta tensin.

DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA CORRIENTE):Aplicaciones: - Aplicaciones de alta corriente.

Figura 1 AplicacionesDiodos rectificadores empleados como convertidores AC-DCUn circuito rectificador por diodos (Figura 2) convierte voltaje de CA en un voltaje fijo de CD. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofsico o trifsico. El flujo de energa nicamente es hacia la derecha.

Convertidor rectificador monofsico

Figura 21.2 El transistor de potenciaSe le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W.El funcionamiento y utilizacin de los transistores de potencia es idntico al de los transistores normales, teniendo como caractersticas especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Tipos de transistores de potenciaEntre los ms comunes podemos mencionar: Transistores bipolares. Transistores unipolares o FET (Transistor de Efecto de Campo). La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuacin sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicacin de una tensin entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una caracterstica comn, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre ms pequea que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensin VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequea puede controlarse otra bastante mayor.

Transistores BJT

Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unin (TJ). Dicha temperatura no debe superar un mximo especificado que para el silicio es de 150C a 200C.

El fabricante de un transistor de potencia suele especificar, la mxima disipacin de potencia a una temperatura ambiente TA (que por lo general es de 25C) e intenta disminuir la potencia disipada mediante el diseo del encapsulado. Ejemplo:

Encapsulado tipo TO3

Figura 3Tambin se puede reducir considerablemente el calor generado al aire libre mediante el uso de disipadores de calor (superficies metlicas extendidas) y aletas (Figura 3).Modos de trabajoExisten cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de las uniones del transistor pueden ser : Grafico 2

Grafico 2 Modos de trabajoRegin activa directa: Corresponde a una polarizacin directa de la unin emisor - base y a una polarizacin inversa de la unin colector - base. Esta es la regin de operacin normal del transistor para amplificacin. Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversa de la unin emisor - base y a una polarizacin directa de la unin colector - base. Esta regin es usada raramente. Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambas uniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un interruptor abierto (IC 0). Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistor acta como un interruptor cerrado (VCE 0).Un transistor funciona como un interruptor si se hace pasar rpidamente de corte a saturacin y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturacin es un interruptor cerrado. Grafico 3 A algunos ejemplos son:

Grafico 3 Funcionamiento de un transistorLa principal aplicacin de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lgicos, all se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturacin, en otro campo por ejemplo en la industria se aplican para activar y desactivar rels, en este caso como la carga es inductiva (bobina del rel) al pasar el transistor de saturacin a corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una proteccin con un diodo en una aplicacin llamada diodo volante o Damper.

2. Transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)

2.1 Teora y operacin del MOSFET

Se puede encontrar MOSFET de baja potencia en algunos circuitos discretos pero su uso principal es en circuitos integrados, para aplicaciones de alta potencia esto se encuentran ampliamente utilizados en aplicaciones que controlan motores, lmparas, disqueteras, impresoras, fuentes de alimentacin, etc. En estas aplicaciones, el MOSFET se denomina FET de Potencia. 2.2 Tipos de MOSFET

Existen bsicamente dos tipos de dispositivos MOSFET:1. Canal n2. Canal p

El smbolo grafico para estos MOSFET se muestra a continuacin (Figura 4), con el nombre de cada una de sus terminales.

Figura 42.3 Caractersticas Elctricas y Fsicas

Cuando la tensin de puerta es nula, la corriente entre el drenador y la fuente es nula, por esta razn el MOSFET est en normalmente en corte cuando el VGS = 0V. La nica forma de obtener corriente es mediante una tensin de puerta simbolizada en la mayora de los casos como VGS(on), cuando VGS es menor que VGS(on) la corriente de compuerta es nula. Pero cuando VGS es mayor que VGS(on) se conecta la fuente al drenador y la corriente de drenador es grande.Los MOSFET tienen un aislante que impide la corriente de puerta para tensiones tanto positivas como negativas. Esta capa debe ser capas de proporcionar ms control sobre la corriente de drenaje pero puede destruirse si se aplica una tensin puerta fuente excesivaPor ejemplo:Un 2n7000 tiene una VGS(max) de +/- 20V. Si la tensin puerta fuente es ms positiva que 20V o ms negativa que -20V, esta capa se destruir.Aparte de la aplicacin excesiva de este voltaje, esta capa se puede destruir si se retira o se inserta un MOSFET en un circuito mientras la alimentacin esta conectada.De cualquiera de estas dos maneras se destruir el MOSFET.

2.4 El transistor MOSFET como interruptor

Una caracterstica importante de los MOSFET es que pueden desconectar una corriente ms rpidamente esto es entre 10 a 100 veces ms rpido que un BJT.Los circuitos integrados digitales son dispositivos de baja potencia porque pueden proporcionar solo pequeas corrientes de carga. Si se desea usar la salida de un CI para excitar una carga que necesita una gran corriente, se puede emplear un FET de potencia como interfase (Figura 5a), ejemplo:

Figura 5.a

Cuando la salida digital es alta, el FET de potencia acta como un interruptor cerrado, en el caso del motor este tiene una tensin de 12V a travs de el, lo cual lo hace girar, cuando la salida digital es baja el FET est abierto y el motor para de girar (Figura 5b).

Figura 5.b2.5 Comprobacin del MOSFET canal N y canal PIgual que el transistor podemos numerar las patillas: poniendo al MOSFET en una posicin determinada Grafico 4:

Grafico 4 Representacin de un MOSFETSin embargo no hay que tratar de comparar las terminales del MOSFET con la de un transistor ya que ellas cumplen con diferentes funciones y lo mejor para ver los nombres de las terminales es un libro de reemplazo para estar seguro.Una vez encontrada esta informacin las mediciones se pueden hacer siguiendo estos pasos:

MOSFET de canal N1. Cortocircuite por medio de una de las puntas del multmetro todas las terminales, esto se hace para eliminar cualquier rastro de medicin echa anteriormente.2. Coloque el borne negativo del multmetro en la terminal de fuente, y con el borne positivo del multmetro tocar la terminal de compuerta. Sin quitar el borne negativo de la terminal de fuente3. Coloque (despus de haber realizado el paso 2) el borne positivo del multmetro en la terminal de drenaje. Una vez realizado este paso se observara en el multmetro una medicin de baja resistencia entre la terminal de drenaje y la terminal de fuente.4. Sin quitar el borne positivo del multmetro de la terminal de drenaje y el borne negativo de la terminal de fuente, toque la terminal de compuerta con la yema del dedo. Una vez realizado este paso se observara en el multmetro que la resistencia baja cambia a un estado demasiado alto como para representar una medicin es decir que el MOSFET tiene resistencia alta entre la terminal de drenaje y la terminal de fuenteSi estas mediciones son correctas de acuerdo a los pasos seguidos anteriormente estaremos en presencia de un MOSFET en buen estado. Las mediciones para un MOSFET de canal p son similares solo que se intercambian los papeles de la polarizaciones aplicadas con el multmetroSi no sucede as puede darse el caso que el MOSFET no haga la conmutacin del cambio de estado o este en cortocircuito en todas sus terminales por lo cual estaremos en presencia de un MOSFET daado y habr que sustituirlo por otro de igual caractersticas.

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