Embed Size (px)
Citation preview
Introducción.
La Electrónica de Potencia es la parte de la electrónica que estudia los dispositivos y los circuitos electrónicos utilizados para modificar las características de la energía eléctrica, principalmente su tensión y frecuencia.
La Electrónica de Potencia se ha introducido de lleno en la industria en aplicaciones tales como las fuentes de alimentación, cargadores de baterías, control de temperatura, variadores de velocidad de motores, etcEl elemento que marca un antes y un después en la Electrónica de Potencia es sin duda el Tiristor (SCR, Semiconductor Controlled Rectifier), cuyo funcionamiento se puede asemejar a lo que sería un diodo controlable por puerta. A partir de aquí, la familia de los semiconductores crece rápidamente: Transistores Bipolar (BJT, Bipolar Junction Transistor); MOSFET de potencia; Tiristor bloqueable por puerta (GTO, Gate turn-off Thyristor); IGBT, Insulate Gate Bipolar Transistor; etc., gracias a los cuales, las aplicaciones de la electrónica de potencia se han multiplicado.
Campos de aplicación.Podemos encontrar aplicaciones de baja potencia, media y alta, con un amplio margen, desde algunos cientos de vatios hasta miles de kilovatios.
Rectificadores (AC-DC):- Alimentación de todo tipo de sistemas electrónicos, donde se necesite energía eléctrica enforma de corriente continua.- Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Máquinas herramienta,carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminación y papeleras.- Transporte de energía eléctrica en c.c. y alta tensión.- Procesos electroquímicos.- Cargadores de baterías.
Reguladores de alterna (AC-AC):- Calentamiento por inducción.- Control de iluminación.- Control de velocidad de motores de inducción.- Equipos para procesos de electrodeposición.
Cambiadores de frecuencia(AC-AC):- Enlace entre dos sistemas energéticos de corriente alterna no sincronizados.- Alimentación de aeronaves o grupos electrógenos móviles.
Inversores(DC-AC):- Accionadores de motores de corriente alterna en todo tipo de aplicaciones industriales.- Convertidores corriente continua en alterna para fuentes no convencionales, tales como lafotovoltaica o eólica- Calentamiento por inducción.
- SAI.
Troceadotes(DC-DC):- Alimentación y control de motores de continua.- Alimentación de equipos electrónicos a partir de baterías o fuentes autónomas de corrientecontinua.
Un equipo electrónico de potencia constafundamentalmente de dos partes, tal como se simboliza en la siguiente figura:
Figura 1. Diagrama a bloques de un sistema de potencia.
1) Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la carga.
2) Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.
Diferencia entre la electrónica de señal y electrónica de potencia:
En la electrónica de señal (de pequeña señal) se varía la caída de voltaje que un componente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en continua. Esta variación permite, a partir de una información de entrada, obtener otra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relación entre las señales de entrada y salida, quedando como algo secundario la potencia suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La función principal aquí es la amplificación y la principal característica es la ganancia.
Figura 2. Sistema Electrónico de señal.
En la electrónica de potencia el concepto principal es la conversión de energía y el rendimiento.Partimos de una señal de gran potencia, que es tratada en un sistema cuyo control corre a cargo de una señal llamada de control o cebado, obteniendo a la salida del sistema una señal cuya potencia ha sido modificada convenientemente.
Figura 3. Sistema Electrónico de Potencia.
Requisitos del dispositivo electrónico de potencia.Un dispositivo básico de potencia debe cumplir los siguientes requisitos:
• Tener dos estados bien diferenciados, uno de alta impedancia (idealmente infinita), que caracteriza el estado de bloqueo y otro de baja impedancia (idealmente cero) que caracteriza el estado de conducción.• Capacidad de soportar grandes intensidades con pequeñas caídas de tensión en estado de conducción y grandes tensiones con pequeñas corrientes de fuga cuando se encuentra en estado de alta impedancia o de bloqueo.• Controlabilidad de paso de un estado a otro con relativa facilidad y poca disipación de potencia.• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro y capacidad para poder trabajar a frecuencias considerables.
De los dispositivos electrónicos que cumplen los requisitos anteriores, los más importantes son el Transistor de Potencia y el Tiristor. Estos dispositivos tienen dos electrodos principales y un tercer electrodo de control. Muchos circuitos de potencia pueden ser diseñados con transistores, siendo intercambiables entre sí en lo que se refiere al circuito de potencia exclusivamente y siendo diferentes los circuitos de control según se empleen Transistores o Tiristores.
Componentes de base en la electrónica de potencia.
Los componentes semiconductores de potencia que vamos a caracterizar se pueden clasificar en tresgrupos de acuerdo a su grado de controlabilidad:Diodos: Estado de ON y OFF controlables por el circuito de potencia.Tiristores: Fijados a ON por una señal de control pero deben conmutar a OFF mediante el circuito depotencia.Conmutadores Controlables: Conmutados a ON y a OFF mediante señales de control.(BJT,
MOSFET, GTO, IGBT's).
Diodo:
Es el elemento semiconductor formado por una sola unión PN. Su símbolo se muestra acontinuación:
Son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular corriente en sentido contrario al deconducción. El único procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, nodisponiendo de ningún terminal de control.
Tiristores:Dentro de la denominación general de tiristores se consideran todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentación regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos, de los cuales el más empleado es el rectificador controlado de silicio (SCR), aplicándole el nombre genérico de tiristor.Dispone de dos terminales principales, ánodo y cátodo, y uno auxiliar de disparo o compuerta. En la figura siguiente se muestra el símbolo.
La corriente principal circula del ánodo al cátodo. En su estado de OFF, puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la compuerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión Vak. El tiristor debe ser disparado a ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de compuerta, durante un pequeño instante. La caída de tensión directa en el estado de ON es de pocos voltios (1-3V).Una vez empieza a conducir, es fijado al estado de ON, aunque la corriente de compuerta desaparezca, no pudiendo ser cortado (OFF) por pulso de compuerta. Solo cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, se cortará el tiristor.
Gate-Turn-Off Thyristors (GTOs):Funcionamiento muy similar al SCR pero incorporando la capacidad de bloquearse de forma controlada mediante una señal de corriente negativa por compuerta. Mayor rapidez frente a los SCR, soportando tensiones y corrientes cercanas a las soportadas por los SCRs. Su principal inconveniente es su baja ganancia de corriente durante el apagado, lo cual obliga a manejar corrientes
elevadas en la puerta, complicando el circuito de disparo. Su símbolo es el siguiente:
Bipolar Junction Transistor (BJT):La figura siguiente muestra el símbolo de un transistor bipolar NPN y PNP:
Manejan menores voltajes y corrientes que el SCR, pero son más rápidos. Fáciles de controlar por la terminal de base, aunque el circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación. Como inconveniente destacaremos su poca ganancia con v/i grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.
Metal-Oxide-Semiconductior Field Effect Transistors (MOSFET):El control del MOSFET se realiza por tensión, teniendo que soportar solamente un pico de corriente para cargar y descargar la capacidad de puerta. Como ventajas destacan su alta impedancia de entrada, velocidad de conmutación, ausencia de ruptura secundaria, buena estabilidad térmica y facilidad de paralelizarlos. En la siguiente figura se muestra el símbolo de un MOSFET de canal N y un MOSFET de canal P.
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs):El IGBT combina las ventajas de los MOSFETs y de los BJTs, aprovechando la facilidad del disparo del MOSFET al controlarlo por tensión y el tipo de conducción del bipolar, con capacidad de conducir elevadas corrientes con poca caída de tensión.
Su símbolo es el siguiente:
El IGBT tiene una alta impedancia de entrada, como el Mosfet, y bajas pérdidas de conducción en estado activo como el Bipolar. Pero no presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT.El IGBT es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs.
COMPARACIÓN DE SEMICONDUCTORES CON CAPACIDAD DE CORTE.
Elemento PotenciaRapidez deconmutación
MOSFETBaja Alta
BIPOLARMedia Media
IGBTMedia Media
GTOAlta Baja
Evolución tecnológica de los dispositivos semiconductores.
Durante los años setenta, los Tiristores (SCRs), los Tiristores Bloqueables por compuerta (GTOs); y los Transistores Bipolares (BJTs) constituían los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los Transistores MOSFETs eran todavía demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los SCRs y los BJTs de aquella época podían conmutar a frecuencias entre 1 y 2KHz .Durante los años ochenta se consiguieron bastantes avances, tales como reducción de la resistencia en conmutación de los transistores MOSFETs, aumento de la tensión y la corriente permitida en los GTOs, desarrollo de los dispositivos híbridos MOS-BIPOLAR tales como los IGBTs, así como el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones.Se imponen los dispositivos MOSFETs, ya que poseen una mayor velocidad de conmutación, un área de operación segura (SAO) más grande y un funcionamiento más sencillo, en aplicaciones de reguladores de alta frecuencia y precisión para el control de motores.Los GTOs son empleados con asiduidad en convertidores para alta potencia, debido a las mejoras en los procesos de diseño y fabricación que reducen su tamaño y mejoran su eficiencia. Aparecen los IGBTs, elementos formados por dispositivos Bipolares y dispositivos MOS, estos dispositivos se ajustan mucho mejor a los altos voltajes y a las grandes corrientes que los MOSFETs y son capaces de conmutar a velocidades más altas que los BJTs.
Los IGBTs pueden operar por encima de la banda de frecuencia audible, lo cual, facilita la reducción de ruidos y ofrece mejoras en el control de convertidores de potencia. A mediados los años ochenta aparecen los dispositivos MCT que están constituidos por la unión de SCRs y MOSFETs.En la década de los noventa los SCRs van quedando relegados a un segundo plano, siendo sustituidos por los GTOs. Se incrementa la frecuencia de conmutación en dispositivos MOSFETs e IGBTs, mientras que los BJTs son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores. Los C.I. (circuitos integrados) de potencia tienen una gran influencia en varias áreas de la electrónica de potencia.Para concluir, podemos decir que tecnológicamente se tiende a fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutación, con capacidad para bloquear elevadas tensiones, permitir el paso de grandes corrientes y por último, que tengan cada vez, un control más sencillo y económico en consumo de potencia.En la Figura (4) se pueden observar las limitaciones de los distintos dispositivos semiconductores, en cuanto a potencia controlada y frecuencias de conmutación. Dispositivos que pueden controlar elevadas potencias, como el Tiristor ( KVA) están muy limitados por la frecuencia de conmutación (orden de KHz), en el lado opuesto los MOSFETs pueden conmutar incluso a frecuencias de hasta KHz pero la potencia apenas alcanza los 10 KVA, en la franja intermedia se encuentran los BJTs (300 KVA y 10 KHz), los GTOs permiten una mayor frecuencia de conmutación que el Tiristor, 1 KHz con control de potencias de unos 2000 KVA, por último los IGBTs parecen ser los mas ideales para aplicaciones que requieran tanto potencias como frecuencias intermedias.
Figura 4. Caracteristicas frecuencia v.s potencia en los años 90.
Clasificación de los convertidores de potencia.Los equipos de potencia se pueden clasificar:- Según el modo de conmutación- Según el tipo de energía que los alimenta.
SEGÚN EL MODO DE CONMUTACIÓN.Cuado se intentan clasificar los convertidores según el modo de conmutación, hay que tener en cuenta la forma en que se provoca el bloqueo del elemento semiconductor es decir el paso de conducción a corte; generalmente éste está provocado por la conmutación de corriente de un elemento rectificador a otro. Se pueden distinguir tres casos: sin conmutación, con conmutación natural y con conmutación forzada.
Sin conmutaciónEste tipo de convertidores se caracteriza por el hecho de que la corriente por la carga se anula a la misma vez que se anula la corriente por el elemento rectificador. Como ejemplo podemos citar un regulador de corriente interna con dos tiristores.
Conmutación naturalEl paso de corriente de un elemento rectificador a otro se provoca con la ayuda de tensiones alternas aplicadas al montaje del convertidor estático. Como ejemplo podemos citar un rectificador controlado con SCR.
Conmutación forzadaEl paso de corriente de un elemento rectificador a otro, está provocado generalmente por la descarga de un condensador o red LC que forma parte del convertidor. Como ejemplo podemos citar un convertidor dc-dc con tiristor.
SEGÚN EL TIPO DE ENERGÍA.De manera general se puede abordar el estudio de los distintos convertidores en función de los cuatro tipos de conversión posibles.Desde el punto de vista real, dado que el funcionamiento del sistema encargado de transformar el tipo de “presentación” de la energía eléctrica viene condicionado por el tipo de energía disponible en su entrada, clasificaremos los convertidores estáticos de energía en función del tipo de energía eléctrica que los alimenta, tal y como se muestra en la siguiente figura:
Figura 5.Clasificación por el tipo de energía
REPASO DE CONCEPTOS.
Vamos a revisar los conceptos básicos sobre potencia, prestando especial atención a los cálculos de potencia en circuitos con corrientes y tensiones periódicas no sinusoidales.
Potencia instantáneaLa potencia instantánea de cualquier dispositivo se calcula a partir del voltaje en bornes del mismo y de la corriente que le atraviesa.
E 1. 1
La relación es válida para cualquier dispositivo o circuito.Generalmente la potencia instantánea es una magnitud que varía con el tiempo.El dispositivo absorbe potencia si p(t) es positivo en un valor determinado de t y entrega potencia si p(t) es negativa.
Figura 6. Potencia positiva y potencia negativa.
EnergíaLa energía o trabajo es la integral de la potencia instantánea.
E1.2
Si v(t) está expresada en voltios e i(t) en amperios, la potencia se expresará en vatios [W] y la energía en julios [J].
Potencia mediaLas funciones de tensión y corriente periódicas producen una función de potencia instantáneaperiódica. La potencia media es el promedio a lo largo del tiempo de p(t) durante uno o más periodos.Algunas veces también se denomina potencia activa o potencia real.
E1.3
Donde T es el periodo de la forma de onda de potencia.
BOBINAS Y CONDENSADORES.Las bobinas y condensadores tienen las siguientes características para tensiones y corrientesperiódicas:
En una bobina, la energía almacenada es:
E1.4
Si la corriente de la bobina es periódica, la energía acumulada al final de un periodo es igual a laenergía que tenía al principio. Si no existe transferencia de potencia neta:
La potencia media absorbida por una bobina es cero para funcionamiento periódicoen régimen permanente. La potencia instantánea no tiene por qué ser cero.A partir de la relación de tensión-corriente de la bobina:
E1.5
Al ser los valores inicial y final iguales para corrientes periódicas:
E1.6
Multiplicando por y sabiendo que , nos queda
Lo que implica que la tensión media en extremos de una bobina es cero.
CondensadorEn una bobina, la energía almacenada es:
E1.7
Si la tensión del condensador es una señal periódica:
La potencia media absorbida por el condensador es cero para funcionamiento periódicoen régimen permanente.A partir de la relación de tensión-corriente del condensador:
E1.8
Al ser los valores inicial y final iguales para corrientes periódicas:
E1.9
Multiplicando por y sabiendo que
La intensidad de corriente media por el condensador es cero.
Potencia en circuitos de alterna con señales sinusoidales.Generalmente, las tensiones y/o corrientes en los circuitos electrónicos de potencia no son sinusoidales. Sin embargo, una forma de onda periódica no sinusoidal puede representarse mediante una serie de Fourier de componentes sinusoidales.En los circuitos lineales con generadores sinusoidales, todas las corrientes y tensiones de régimen permanente son sinusoidales.
POTENCIA INSTANTÁNEA Y POTENCIA MEDIA.Para cualquier elemento de un circuito de alterna, supongamos que:
Recordemos que la potencia instantánea de los circuitos de alterna es
Y la potencia media:
Luego la potencia instantánea es:
E1.10
Sabiendo que
E1.11
Y la potencia medioa es:
E1.12
El resultado de esta integral puede obtenerse por deducción. Dado que el primer término de la integral es una función coseno, la integral en un periodo es igual a cero y el segundo término es una constante. Por tanto, la potencia media de cualquier elemento de un circuito de alterna es:
E1.13
O bien [W] E1.14
Siendo el ángulo de fase entre la tensión y la corriente. Esta potencia se denomina Potencia Activa.
POTENCIA REACTIVA.La potencia reactiva se caracteriza por la acumulación de energía durante una mitad del ciclo y la devolución de la misma durante la otra mitad del ciclo.
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
abscisse : temps (ms)
inte
nsi
té (
A)
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
ten
sio
n (
V)
et p
uis
san
ce (
W)
i(t)
u(t)
p(t)
Figura7. Potencia instantanea.
Por convenio, las bobinas absorben potencia reactiva positiva y los condensadores absorben potencia reactiva negativa.
POTENCIA COMPLEJA.La potencia compleja combina las potencias activa y reactiva para los circuitos de alterna:
E1.15
e son magnitudes complejas que se expresan como favores (magnitud y angulo) e es el complejo conjugado de un favor de corriente, lo que proporciona resultados coherentes con el convenio de que la bobina absorbe potencia reactiva.
Esta ecuación de potencia compleja no es aplicable a señales no sinusoidales.
Figura 9. Potencia activa y reactiva.
Figura 10. Potencia activa y reactiva.
Ejemplo. Trazar el triángulo de potencias de un circuito cuya impedancia es y al que se le aplica un fasor de tensión .
Solución. El fasor de intensidad de corriente es
◙ Método 1:
en retraso
en retraso
◙ Método 2:
en retraso en retraso
◙ Método 3:
; en retraso; ; en retraso
◙ Método 4: ;
;
; en retraso
POTENCIA APARENTE.La potencia aparente se expresa de la siguiente forma:
[VA]
La potencia aparente en los circuitos de alterna es la magnitud de la potencia compleja:
Figura 11. Potencias medidas con un instrumento.
VALOR EFICAZ.El valor eficaz también es conocido como valor cuadrático medio o rms. Se basa en la potencia media entregada a una resistencia.
E1.17
Para una tensión periódica aplicada sobre una resistencia, la tensión eficaz se define como una tensión que proporciona la misma potencia media que la tensión continua. La tensión eficaz puede calcularse:
E1.18
Calculando la potencia media:
Si igualamos estas dos ecuaciones:
E1.19
Del mismo modo, la corriente eficaz se desarrolla a partir de
E1.20
FACTOR DE POTENCIA.
El factor de potencia de una carga se define como el cociente de la potencia media o activa y la potencia aparente:
E1.21
◙ Esta ecuación de factor de potencia tampoco es aplicable a señales no sinusoidales, como se verá posteriormente.El factor de potencia utiliza el valor total de RMS, incluyendo así todos los armónicos, para su cálculo.
f.p Interpretación0 a 1 No se consume toda la potencia suministrada, presencia de potencia reactiva.
1 El dispositivo consume toda la potencia suministrada, no hay potencia reactiva.
-1 El dispositivo genera potencia, corriente y tensión en fase.-1 a 0 El dispositivo genera potencia, adelantos o retrasos de corriente.
Cargas lineales y no lineales.Hasta ahora, la mayor parte de las cargas utilizadas en la red eléctrica eran cargas lineales, cargas que daban lugar a corrientes con la misma forma de onda que la tensión, es decir, prácticamente sinusoidales.Con la llegada de la electrónica integrada a numerosos dispositivos eléctricos, las cargas producen corrientes distorsionadas cuya forma ya no es sinusoidal. Estas corrientes están compuestas por armónicos, cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia fundamental de 50 Hz.
CARGA LINEAL:Una carga se dice lineal cuando la corriente que ella absorbe tiene la misma forma que la tensión que la alimenta. Esta corriente no tiene componentes armónicos. Las cargas lineales pueden provocar que entre la corriente y la tensión exista un desfase, sin embargo no provocan la deformación de la forma de onda.Son cargas lineales las cargas resistivas, inductivas y capacitivas.
Ejemplo: resistencias de calefactores, cargas inductivas en régimen permanente (motores, transformadores...)
Figura 12. Carga lineal y carga no lineal.
CARGA NO LINEAL O DEFORMANTE:Una carga se dice no lineal cuando la corriente que ella absorbe no es de la misma forma que la tensión que la alimenta. Esta corriente es rica en
componentes armónicos donde su espectro será función de la naturaleza de la carga. A diferencia de las anteriores, las cargas no lineales se caracterizan porproducir una deformación de la onda de corriente.
Ejemplo: fuentes de alimentación, control de motores de inducción, entrehierro del transformador y en general cualquier carga que incorpore un convertidor estático de potencia.
Figura 13. convertidor estático de potencia.
Cargas no lineales (descomposición armónica).
DEFINICIÓN DE ARMÓNICO.Una perturbación armónica es una deformación de la forma de onda respecto de la senoidal pura teórica.Según la norma UNE EN 50160:1996, una tensión armónica es una tensión senoidal cuya frecuencia es múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación.Podemos definir los armónicos como oscilaciones senoidales de frecuencia múltiplo de la fundamental.
ORDEN DEL ARMÓNICOLos armónicos se clasifican por su orden, frecuencia y secuencia.
Orden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 … NFrec. 60 120 180 240 300 360 420 480 540 …Sec. + - 0 + - 0 + - 0 … …
El orden del armónico es el número entero de veces que la frecuencia de ese armónico es mayor que la de la componente fundamental. Por ejemplo, el armónico de orden 7 es aquel cuya frecuencia es 7 veces superior a la de la componente fundamental, si la componente fundamental es de 60 Hz el armónico de orden 7 tendría una frecuencia de 420 Hz. En una situación ideal
donde sólo existiera señal de frecuencia 60 Hz, sólo existiría el armónico de orden 1 o armónico fundamental.Se observa en la tabla que hay dos tipos de armónicos, los impares y los pares. Los armónicos impares son los que se encuentran en las instalaciones eléctricas, industriales y edificios comerciales.Los armónicos de orden par sólo existen cuando hay asimetría en la señal debida a la componente continua.
En un sistema trifásico no distorsionado las corrientes de las tres fases llevan un cierto orden. Si el sistema es simétrico y la carga también las tres ondas de corriente tendrán el mismo módulo y estarán desfasadas 120º; diremos que la secuencia es directa si el orden con que las tres ondas pasan sucesivamente por un estado es ABC y diremos que es inversa si es ACB. Con ondas distorsionadas se puede hacer el mismo planteamiento para cada uno de los armónicos. Cuando el sistema está formado por ondas iguales en fase se denomina homopolar.
Si la secuencia de las ondas fundamentales es directa, todos los armónicos de orden 3n-2 serán de secuencia directa, los de orden 3n-1 de secuencia inversa y los de orden 3n de secuencia homopolar.
Si utilizamos como ejemplo un motor asíncrono trifásico de 4 hilos, entonces los armónicos de secuencia directa o positiva tienden a hacer girar al motor en el mismo sentido que la componente fundamental. Como consecuencia provocan una sobrecorriente en el motor que hace que se caliente.Provocan en general calentamientos en cables, motores, transformadores. Los armónicos de secuencia negativa hacen girar al motor en sentido contrario al de la componente fundamental y por lo tanto frenan al motor, provocando también calentamientos. Los armónicos de secuencia neutra (0) o homopolares, no tienen efectos sobre el giro del motor pero se suman en el hilo neutro, provocando una circulación de corriente de hasta 3 veces mayor que el 3 armónico que por cualquiera de los conductores, provocando calentamientos.
ESPECTRO ARMÓNICO.El espectro armónico permite descomponer una señal en sus armónicos y representarlo mediante un gráfico de barras, donde cada barra representa un armónico, con una frecuencia, un valor eficaz, magnitud y desfase.Es una representación en el dominio de la frecuencia de la forma de onda que se puede observar con un osciloscopio.
Series de FourierLos circuitos electrónicos de potencia tienen, normalmente, tensiones y/o corrientes que son periódicas pero no sinusoidales.Las series de Fourier pueden utilizarse para describir formas de onda periódicas no sinusoidales en términos de una serie de sinusoides, o dicho de otra forma:Una forma de onda periódica no sinusoidal puede describirse mediante una serie de Fourier de señales sinusoidales.
ANÁLISIS DE FOURIERLas funciones periódicas pueden ser descompuestas en la suma de:a) Un término constante que será la componente continua.b) Un término sinusoidal llamado componente fundamental, que será de la misma frecuencia que la función que se analiza.c) Una serie de términos sinusoidales llamados componentes armónicos, cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental.
E1.22
es el valor medio de la tensión de salida, . Las constantes , y pueden ser determinadas mediante las siguientes expresiones:
Los términos y son los valores de pico de las componentes sinusoidales. Como para cada armónico (o para la fundamental) estas dos componentes están desfasadas 90°, la amplitud de cada armónico (o de la fundamental) viene dada por:
Empleando identidades trigonometricas podemos escribir a la Serie de Fourier como:
E1.23
Ó
Ejemplo. Computadoras. Se tiene una fuente de voltaje sin distorsión a una
frecuencia de 50 Hz, , donde . Una
computadora extrae de corriente. Dicha corriente puede aproximarse utilizando la siguiente receta de Fourier:
% fundamental % de total signo del SenFundamental 100.0 67.88 +
Tercera 80.1 54.37 -Quinta 60.6 41.13 +
Séptima 37.0 25.12 -Novena 15.7 10.67 +
Aplicando la receta anterior tenemos lo siguiente:De fundamental:
De tercera armónica:
De quinta armónica:
De séptima armónica:
De novena armónica: La suma fundamental y armónica es:
Figura 14. Descomposición de una señal no sinusoidal.
Simetría de una función f (t).
Pueden reconocerse con facilidad cuatro tipos de simetría que se utilizarán para simplificar la tarea de calcular los coeficientes de Fourier:a) Simetría de función parb) Simetría de función imparc) Simetría de media ondad) Simetría de cuarto de onda
Una función es par cuando y es impar cuando . La función par sólo tiene términos coseno ( ) y la función impar sólo tiene términos seno ( ).
En la simetría de media onda se cumple: y tiene la propiedad
de que tanto como son cero para valores pares de n (solo contiene armónicos de orden impar). Esta serie contendrá términos seno y coseno a menos que la función sea también par o impar.
Las formas de onda más comunes en electrónica de potencia son:
Figura 15. Formas de onda típicas y su serie de Fourier.
Figura 16. Formas de onda típicas y su serie de Fourier.
Figura 17.Formas de onda típicas y su serie de Fourier.
Distorsión armónica total “Total Harmonic Distortion(THD)”.
También se le conoce como factor armónico o factor de distorsión. Se definió como consecuencia de la necesidad de poder cuantificar numéricamente los armónicos existentes en un determinado punto de medida.Es la relación del valor rms de la distorsión y el valor rms de la fundamental. Debido a que la fundamental no contribuye a la distorsión, el valor efectivo de la distorsión es la raíz de la suma de los cuadrados de los valores rms de las armónicas, de la segunda en adelante. Matemáticamente se escribe:
E1.24
Al incluir el valor rms de la fundamental, , dentro del radical se obtiene:
E1.25
el cociente es el valor rms de la armónica n dividido por el valor rms de la
fundamental.Cuando una instalación eléctrica se ve afectada por numerosos armónicos es posible que la distorsión total armónica supere el 100% lo que indicaría que en
esa instalación o punto de medida hay más armónicos que componente fundamental.Cuando una señal no contiene armónicos, o es casi senoidal, su THD escercano al 0%. Por tanto se debe tratar de que el THD sea lo más bajo posible.
Figura 18. Formas de onda típicas y su serie de Fourier.
Valor efectivo o valor rms.
El valor efectivo o valor rms de una función periódica indica la energía que tiene una determinada señal y es la raiz cuadrada del valor promedio de la función al cuadrado.Matemáticamente se escribe:
E1.26
El valor rms de una senoidal es el valor pico entre . El valor rms de una función formada por componentes senoidales de frecuencia distinta está dado por la raiz cuadrada de los cuadrados de los valores rms de dichas componentes, esto es, el valor rms de:
E1.27
Está dado por
, si las frecuencias angulares , , y si las frecuencias son distintas.
Factor de cresta:El factor de cresta es un factor de deformación, que relaciona el valor de pico (cresta) de una onda sinusoidal y el valor eficaz de la misma señal.
E1.28
Debido a que el valor rms de una senoidal es el valor pico entre , el factor de cresta de una senoidal es . El valor de factor de cresta CF es un
indicación de la cantidad de distorsión. Un factor de cresta elevado equivale a una alta distorsión.
Valor promedio.El valor promedio de una forma de onda periódica es el área bajo la curva de la onda en un periodo T, entre el tiempo del periodo. Tiene la siguiente expresión matemática:
E1.29
El valor promedio de una senoidal es cero, el valor promedio de una senoidal
rectificada es ,siendo el valor pico de la senoidal.
Factor de potencia y cos φ.Habitualmente se tiende a pensar que el factor de potencia y el cos φ son lo mismo, esto es cierto solamente cuando no hay armónicos.El factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente:
E1.30
El cos φ es la relación que existe entre las componentes fundamentales de la potencia activa y la potencia aparente.
Figura 19. Medición del factor de potencia.
Factor de desclasificación K.El factor K es un factor de desclasificación de los transformadores que indica cuánto se debe reducir la potencia máxima de salida cuando existen armónicos. La expresión matemática es la siguiente:
E1.31
Se trata de medir el valor de pico y eficaz de la corriente en cada fase del secundario del transformador, calcular sus promedios y utilizar la fórmula anterior. Así por ejemplo, si se mide en el secundario del transformador de 1000 KVA se encontrara que el factor de desclasificación K vale 1.2; entonces
la máxima potencia que podríamos demandar del transformador, para que éste no se sobrecalentase y no empezara a distorsionar la tensión, sería de 833 KVA (1000 KVA/1,2 = 833 KVA).El Factor K de desclasificación se debe utilizar para reducir la potencia máxima del transformador sólo cuando la medida está hecha en el secundario del mismo. Cuando la medida se hace en cualquier otro punto de la instalación, el factor K no tiene utilidad.
Cálculos con ondas periódicas no sinusoidales.FUENTE NO SINUSOIDAL Y CARGA LINEAL.
Si se aplica una tensión periódica no sinusoidal a una carga que sea una combinación de elementos lineales, la potencia absorbida por la carga puede determinarse utilizando superposición.Una tensión periódica no sinusoidal es equivalente a la combinación en serie de las tensiones de la correspondiente serie de Fourier.La corriente en la carga puede determinarse utilizando superposición y la siguiente ecuación:
E1.32
FUENTE SINUSOIDAL Y CARGA NO LINEAL.
Si una fuente de tensión sinusoidal se aplica a una carga no lineal, la forma de onda de la corriente no será sinusoidal pero puede representarse como una serie de Fourier. Si la tensión es la sinusoide:
E1.33
y la corriente se representa mediante la serie de Fourier:
E1.34
la potencia media absorbida por la carga se calcula a partir de la (E 1.32 )
E1.35
E1.36
El único término de potencia distinto de cero es el correspondiente a la frecuencia de la tensión aplicada.
Figura 20. Potencias aparente, activa, reactiva y de distorisión.
Enslin y Van Wyk en 1990 [10], definen la potencia bajo condiciones no senoidales en el dominio del tiempo, la cual la subdividen en dos componentes ortogonales, potencia activa P, potencia ficticia F, la potencia ficticia la subdividen en dos componentes ortogonales, potencia reactiva Q y potencia deactiva D.
Efectos de los armónicos.
Cualquier señal que circule por la instalación eléctrica, ya sea de corriente o detensión, y cuya forma de onda no sea senoidal, puede provocar daños en ella oen los equipos conectados a la misma.Cuando una corriente está deformada, es decir, cuando su forma de onda no es senoidal, se dice que contiene armónicos. Los efectos de los armónicos son numerosos, unos se observan a simple vista, o se escuchan, otros necesitan de medidores de temperatura para comprobar el calentamiento de cables, arrollamientos o pletinas, y finalmente otros necesitan de equipos especiales como medidores de armónicos, o analizadores para poder cuantificar la importancia de los armónicos en un punto de la instalación.
Los efectos de los armónicos son los siguientes: Grandes corrientes por el conductor neutro (sobrecalentamiento de los
cables) Sobrecalentamiento de los cables por el efecto piel (señales de alta
frecuencia) Disparos indeseados de interruptores Baterías de condensadores(resonancia, amplificación armónica) Acoplamiento línea telefónica Sobrecalentamiento transformador (desclasificación, aumento de K)
IMPORTANCIA DEL NEUTRO.
Un sistema trifásico son tres generadores de corriente alterna monofásica en los que un extremo de cada uno de los tres bobinados se han unido en un punto central, formando un generador trifásico que crea tres tensiones del mismo valor pero con un desfase mutuo de 120º.Cuando el sistema esta equilibrado, la suma de las tres corrientes que en un instante dado pasan hacia dicho punto central es constantemente igual a cero, es decir, si la corriente de ida va por un conductor, la de retorno se distribuye entre los otros dos.En las redes de distribución de baja tensión suele incluirse el conductor que corresponde al punto central de la conexión en estrella, llamado conductor de neutro, que siempre está unido a tierra. En estas redes de distribución, la corriente que circula por el neutro es igual a la suma vectorial de las tres corrientes de fase, por lo que si las cargas de las tres fases están correctamente equilibradas y la corriente es senoidal, la resultante por el conductor neutro es nula o muy reducida.
Figura 21. Red trifásica.
Esto es cierto para la frecuencia fundamental, pero cuando se presentan armónicos mezclados con la corriente fundamental, en los circuitos trifásicos con cargas no lineales, las armónicas de orden impar (3ª, 9ª, 15ª, etc.), no se cancelan sino que se suman en el conductor neutro, por lo que la corriente por el conductor neutro puede ser mayor que la corriente de fase. El peligro consiste en un excesivo sobrecalentamiento del cable neutro, además de causar caídas de voltaje, entre el neutro y la tierra, mayores de lo normal.
Figura 22. Presencia de armónicos mezclados con la corriente fundamental
El valor eficaz de la intensidad de esta corriente del conductor neutro es simplemente igual a la suma aritmética de las tres corrientes armónicas de orden 3 de cada una de las fases.La existencia de estos armónicos, que se pueden presentar incluso aun cuando los equipos cumplan con las normas de limitación de armónicos, provoca una serie de problemas entre los que se podrían destacar: un fuerte incremento de las pérdidas en las instalaciones por aumento de la resistencia de los conductores por efecto piel y por efecto proximidad.Los efectos “piel” y “proximidad” consisten en que, cuando una corriente alterna pasa a través de un conductor de un cable, se crea a su alrededor un campo magnético variable que induce una diferencia de tensión en su seno o en los conductores situados en su proximidad, lo que provoca unas corrientes que se oponen parcialmente a las que recorren estos conductores, ocasionando un aumento de su resistencia óhmica y de las pérdidas por efecto Joule que se generan en dichos cables.
Figura 23. Corriente por el conductor neutro: Carga no lineal.
Las series de Fourier de las corrientes y de los voltajes de línea son:
E1.37
(E1.38)
E1.39
E1.40
Si la carga es equilibrada no lineal, la relación de corriente de neutro con la corriente de cualquiera de las fases es:
E1.41
SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Diodo de Potencia.El elemento rectificador de potencia más común es el diodo de potencia.Las características de los diodos de potencia son, en general, similares a las de los diodos normales, idealmente presenta dos estados bien diferenciados: corte y conducción. El paso de un estado a otro no se realiza de forma instantánea y en dispositivos en los que el funcionamiento se realiza a elevada frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que éste acotará las frecuencias de trabajo.
Simbología.La simbología usada más comúnmente en electrónica de potencia se resume en el siguiente esquema.
Figura 24. Esquema de símbologia de las características de un diodo.
Ejemplo: = Tensión inversa máxima no repetitiva
Parámetros en estado de bloqueo.Cuando un diodo se encuentra en estado de bloqueo, es decir, cuando no conduce existen una serie de valores de tensión que no pueden ser sobrepasados. En la figura 2.4 se han representado los valores máximos de tensión inversa ánodo - cátodo que puede soportar un diodo momentáneamente o de manera continuada, sin que el dispositivo semiconductor corra el peligro de destruirse.• Tensión inversa de trabajo máxima. Es la tensión que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de calentamientos.• Tensión inversa de pico repetitivo. Es la tensión que puede ser soportada en picos de 1 ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.• Tensión inversa de pico no repetitivo. Es la tensión que puede ser soportada por una sola vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10 ms.
• Tensión de ruptura. Si es alcanzada, aunque sea por una sola vez con duración de 10 ms o menos, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas.• Intensidad de fugas. Intensidad que circula por el dispositivo de potencia cuando está bloqueado.
Figura 25 Parámetros en estado de bloqueo. Tensiones inversas en el diodo.
Parámetros en estado de conducción.Cuando el diodo conduce también es importante no sobrepasar los valores de corriente permitidos por el dispositivo y que son facilitados por el fabricante.
Intensidad en directo media nominal. Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura.
Intensidad en directo de pico repetitivo. Puede ser soportada cada por tiempo indefinido, con duración del pico de a determinada temperatura de la cápsula.
Intensidad en directo de pico no repetitivo. Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada minutos o más, con duración de pico de .
Algunos fabricantes dan la intensidad nominal en valor eficaz y no en valor medio, cuestión que hay que tener en cuenta cuando se comparan diodos de distintas marcas.
Figura 26. Curva del diodo, voltajes según la capacidad del diodo.
Figura 27. Curva del diodo, voltaje de encendido a 10 [A] para dos voltajes de ruptura.
Figura 28. Características en inversa.
Figura 29. Características en directa.
Potencia media disipada por el diodo en conducción.
La potencia instantánea que disipa un diodo será: E1.42
Figura 30 Potencia instantánea disipada por el diodo en conmutación.
La potencia media responde a la integral definida, de la potencia instantánea en un periodo, dividida por la duración del periodo T.
E1.43
Considerando la tensión de codo, VD y la resistencia interna, RD del diodo y sustituyendo en la ecuación
E1.44
Esta expresión consta de dos términos; en el primero aparece la intensidad media, y en el segundo, la intensidad eficaz al cuadrado.
E1.45
La potencia media no sólo depende de la intensidad media, sino también del valor eficaz de la señal y por lo tanto, del factor de forma, a.
E1.46
Generalmente el fabricante proporciona información en las hojas de características del dispositivo semiconductor, por medio de tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. También proporciona curvas que relacionan la potencia media con el factor deforma.
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DEL DIODO DE POTENCIA.
Cuando en el estudio del comportamiento de los dispositivos semiconductores se quiere profundizaren los transitorios provocados por la conmutación, se requiere un tiempo, para conseguir el paso decorte a conducción, ton y de conducción a corte, toff.
Paso de conducción a corte, Turn off.Cuando un diodo se encuentra conduciendo una intensidad, la zona central de la unión p-n está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea dicha intensidad. Si el circuito exterior fuerza la disminución de la corriente con una cierta velocidad, aplicando una tensión inversa, resultará que después del paso por cero de la señal ,
hay un periodo en el cual cierta cantidad de portadores cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después de un tiempo, durante el cual los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión una zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo en pasar de un valor de pico negativo a un valor prácticamente nulo, mientras se va descargando la capacidad interna de la unión.
Figura 31. El tiempo de recuperación inverso, trr adquiere una gran importancia a la hora de trabajar en conmutación, pues limita la máxima frecuencia de trabajo.
Paso de corte a conducción, Turn on.Por ser prácticamente despreciables los efectos provocados por el tiempo de recuperación directa, indicar solamente que se conoce como Turn on, al tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión entre el ánodo y cátodo se hace positiva y en el que dicha tensión alcanza el valor normal de conducción. Es decir el tiempo de paso de corte a conducción.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA.
Diodo rectificador normalTienen un tiempo de recuperación inversa relativamente alto, típicamente de
, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempo de recuperación no es crítico.Margen de funcionamiento: desde hasta varios miles de ;
.
Diodo de barrera SchottkyEn un diodo Schottky se puede eliminar (o minimizar) el problema de almacenamiento de carga de una unión pn. Esto se lleva a cabo estableciendo una “barrera de potencial” con un contacto entre un metal y un semiconductor.Margen de funcionamiento: ; Son usados en rectificadores de bajo voltaje para mejorar la eficacia de la rectificación.
Diodo de recuperación rápidaLos diodos de recuperación rápida tienen un tiempo de recuperación bajo, por lo general menor que . Esta característica es especialmente valiosa en altas frecuencias. Un diodo con esta variación de corriente tan rápida necesitará contactos de protección, sobre todo cuando en el contacto exterior encontramos elementos inductivos.Margen de funcionamiento: ; .
ASOCIACIÓN DE DIODOS DE POTENCIA.
Las dos características más importantes del diodo de potencia son: La intensidad máxima en directo y la tensión inversa máxima de bloqueo. Si las necesidades del circuito pueden llegar a sobrepasar la capacidad máxima del dispositivo es necesario utilizar varios diodos asociados en serie o en paralelo según el caso.
Diodos en serie.Para aplicaciones en las que aparecen tensiones inversas elevadas por rama, como por ejemplo en rectificadores de potencia, la capacidad de bloqueo de un único diodo puede no ser suficiente. Será necesario una conexión serie de dos o más elementos. Si los elementos están colocados en serie, tendrán la misma corriente de fugas, sin embargo, presentan tensiones inversas diferentes.Esto podría causar que alguno de los diodos pudiera destruirse por sobrepasamiento de su tensión inversa máxima.
Este problema puede resolverse conectando resistencias en paralelo con cada diodo.
Figura 32 Asociación de diodos en serie.
Para que estas resistencias sean efectivas, deben conducir una corriente mucho mayor que la corriente de fugas del diodo.
E1.47
E1.48
Si
E1.49
PROBLEMA 2.2Los dos diodos que se muestran en la figura 2.11 están conectados en serie, un voltaje total de . Las corrientes de fuga inversas de los dos diodos son e .
a) Encuentre los voltajes de diodo, si las resistencias de distribución del voltaje son iguales, .
b) Encuentre las resistencias de repartición del voltaje y , si los
voltajes del diodo son iguales, .
c) Utilice PSpice para verificar los resultados de la parte (a). Los parámetros del modelo PSpice son: e para el diodo , e para el diodo Solución: (a) ,
; (b) , .
PROBLEMA 2.3Se pretende colocar 3 diodos, de tensión inversa máxima , en serie para soportar una tensión total de . Calcular las resistencias de ecualización necesarias sabiendo que la corriente inversa máxima de estos diodos (para
de tensión inversa) es de . ¿Qué nombre recibe este tipo de ecualización?Solución:
Por no circula corriente inversa y por y circula la máxima, por lo tanto, para estos dos tenemos:
Despejando tenemos:
(Parámetro introducido para facilitar el cálculo)
Debe cumplirse que:
Diodos en paralelo.Esta configuración se utiliza cuando se requieren altas intensidades. Presenta como inconveniente el reparto desigual de la corriente por cada una de las ramas de los diodos debido a las distintas características de conducción de los mismos.Este problema se puede resolver utilizando dos criterios: conectando resistencias en serie con cada diodo o bien inductancias iguales acopladas en
cada rama de la red paralelo. Las resistencias conectadas en serie ayudan a estabilizar e igualar los valores de intensidad e Las inductancias se pueden obtener utilizando transformadores con una relación de transformación
conectados tal y como muestra la figura.El segundo método es aplicable únicamente en condiciones de operación en las que la alimentación sea pulsatoria o senoidal.
Figura 33. Asociación de diodos en paralelo. Circuitos de estabilización de corriente por resistencias e inductancias
PROBLEMA 2.4Se conectan dos diodos en paralelo de forma que en total tienen que conducir 100A. Determinar el valor de las resistencias para que ninguno conduzca más de 55A. Calcular la potencia y la caída de tensión en cada rama.Datos:
Solución:Suponiendo que algún diodo conduzca , este diodo será el de menor tensión de codo
Como , tenemos que la resistencia en cada rama será:
La potencia en cada rama será:
La caída de tensión en cada rama será:
PROBLEMA 2.5
Dos diodos con rango de de voltaje y corriente inversa de , se conectan en serie a una fuente de AC de de tensión de pico ( ). La característica inversa es la presentada en la figura. Determinar:
a) Voltaje inverso de cada diodo.b) Valor de la resistencia a colocar en paralelo de forma que el voltaje en
los diodos no sea superior al de .c) Corriente total y pérdidas de potencia en las resistencias.
Solución: (a) , ; (b) , , ; (c) , .
PROBLEMA 2.6Dos diodos tienen las características presentadas son conectados en paralelo. La corriente total es de . Son conectadas dos resistencias en serie con los diodos para provocar una redistribución de la corriente. Determinar:
a) El valor de la resistencia de forma que por un diodo no circule más del de .
b) Potencia total de pérdidas en las resistencias.c) Caída de tensión diodo resistencia.
Figura 34. Curvas características de los diodos.
Solución: (a) ; (b) ; (c)
Transistor Bipolar, BJT.Es usado comoun dispositivo de conmutación, ya que, dispone de las características que loconvierten en un conmutador casi ideal. En el transistor de potencia los estados másimportantes de funcionamiento son saturación y corte. Estos dos estados secorresponden con los estados cerrado y abierto del conmutador ideal.
Los transistores bipolares de alta potencia se utilizan fundamentalmente para trabajar con frecuenciaspor debajo de 10KHz y en aplicaciones que requieran 1.200 V y 400 A como máximo.
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR BIPOLAR.
Características a tener en cuenta en el transistor bipolar:• IC = Intensidad máxima que puede circular por el Colector
• VCE0 = Tensión de ruptura de colector con base abierta, (máxima tensión C-E que se puedeaplicar en extremos del transistor sin provoca la ruptura)• Pmax = Potencia máxima
• Tensión en sentido directo
• Corriente de fugas
• Frecuencia de corte
• VCBO = Tensión de ruptura colector - base con base abierta
• VEBO = Tensión de ruptura emisor - base con base abierta
• VCEOSUS = Tensión de ruptura por un aumento excesivo de la corriente de colector y de la tensiónC – E
Los transistores bipolares de potencia presentan durante la conmutación un fenómeno complejoconocido como efecto de segunda ruptura. Si la ruptura por avalancha se denomina primera ruptura,la segunda ruptura se puede definir como la ruptura de la unión debido a efectos térmicos localizados(creación de puntos calientes).La primera ruptura se debe a un aumento excesivo de la tensión C - E. Sin embargo, la rupturasecundaria se produce cuando la tensión C - E y la corriente de colector aumentan excesivamente, detal forma que ésta última se concentra en una pequeña área de la unión de colector polarizadoinversamente. La concentración de corriente forma un punto caliente (falta de uniformidad en elreparto de la corriente) y el dispositivo se destruye térmicamente. Este tipo de ruptura podrápresentarse tanto en turn on como en turn off.La figura 2.14 muestra la característica tensión - intensidad de un transistor NPN bipolar de potencia.Al igual que en uno de pequeña potencia, se pueden distinguir tres zonas: activa, corte y saturación.
Fig 2. 14 Característica V - I de un transistor NPN bipolar de potencia.
PROBLEMA 2.7
El transistor bipolar de la figura, tiene una β en el rango 8 a 40. Calcular el valor de RB queresulta en saturación con un factor de sobreexcitación de 5, la βf forzada y la pérdida depotencia PT en el transistor.Datos: 8≤β≤40; RC=11Ω; VCC=200V; VB=10V;VCEsat=1.0V; VBEsat=1.5V; ODF=5
Solución:La corriente de colector en saturación es:I 18.091A11Ω200V 1.0VRV VI CSCCC CEsat
CS ⇒ =−=−=La corriente de base en saturación es:I 2.263A818.1A
βII BSminCS
BS = = ⇒ =Normalmente se diseña el circuito de tal forma que IB sea mayor que IBS
El factor de sobreexcitación, ODF, proporciona la relación entre ambas:BSB
IIODF =I I ODF 2.263A 5 I 11.313A B BS B = ⋅ = ⋅ ⇒ =El valor de RB se calcula a partir de la ecuación de la corriente de base:BB BEsat
B RV VI−=……⇒−=−=11.313A10V 1.5VIV VRBB BEsat
B R 0.751Ω B =La β forzada, βf, mide la relación entre ICS e IB= = ⇒11.313A18.091AIIβBCS
f β 1.6 f =La pérdida de potencia total, PT, es:P = V ⋅ I + V ⋅ I = 1.5V⋅11.313A+ 1.0V⋅18.091A ⇒ T BEsat B CEsat CS
P 35.06 W
TIEMPOS DE CONMUTACIÓN.
