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Dispositivos de Electrónica de Potencia

Introducción

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden Clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de control:

 

1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de Conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de Potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control Externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

 

En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno

De estos dispositivos.

Diodo de Potencia

Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y

Corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,

Generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para

Componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores

Corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). El diodo está formado por una sola unión PN, aunque la estructura de un diodo de potencia es algo diferente a la de un diodo de señal, puesto que en este caso existe una región intermediaria con un bajo dopaje. El papel de esta región es permitir al componente soportar tensiones inversas más elevadas. Esta

Región de pequeña densidad de dopaje dará al diodo una significativa característica resistiva en polarización directa, la cual se vuelve más significativa cuanto mayor sea la tensión que ha de soportar el componente. Las capas que hacen los contactos externos son altamente dopadas, para obtener un contacto con características óhmicas y no del tipo semiconductor.

  (Polarización inversa).

 Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se supera el valor

De tensión de ruptura especificado por el fabricante, el diodo puede llegar a destruirse por

Excesiva circulación de corriente inversa y en definitiva, por excesiva disipación de potencia.

Los diodos de potencia pueden llegar a soportar tensiones de ruptura de kiloVolts (kV), y

Pueden conducir corrientes de kiloAmperes (kA). Evidentemente, el tamaño del diodo

Condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de

Varios cm2.

 Como ya se ha mencionado, los diodos son interruptores unidireccionales en los

Cuales no puede circular corriente en sentido contrario al de conducción. El único

Procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, no disponiendo de

Ningún terminal de control.

 En régimen transitorio cabe destacar dos fenómenos:

1) Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa

Instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la

Zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la

Corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido

De movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo,

Denominado tiempo de recuperación inverso (trr). El tiempo de recuperación de un diodo normal es del orden de 10 μs, siendo el de los diodos rápidos del orden de algunos nanosegundos.

 

2) Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo de menor importancia que el

Anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción, En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp, ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente está relacionada con la concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la anchura y resistividad de la zona central del diodo.

 

Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:

• • Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy

pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan

tensiones inversas superiores a 50 – 100 V. 

• • Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en

combinación con interruptores controlables, donde se necesitan tiempos de

recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y

varios cientos de amperios, estos diodos poseen un tiempo de recuperación inversas

(trr) de pocos nanosegundos.

• • Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción

(ON) de estos diodos es la más pequeña posible, y como consecuencia tienen un trr

grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea.

Estos diodos son capaces de bloquear varios kilovoltios y conducir varios

kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango

de tensión o de corriente.

 

Tiristores

El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una

puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en

conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una

secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).

La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”)

se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado

“ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un

determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica

para cada tiristor.

Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores

unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).

 

SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de

la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de

tiristor que de SCR.

El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la

Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el

dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite

soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).

El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo.  

 

TRIAC

El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y viceversa, y puede ser Disparado con tensiones de puerta de ambos signos.

Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos

De circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de

Corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de

Semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primer

TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos

Decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en anti paralelo (tiristor bidireccional). De

Esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente.

 

GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)

A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido

poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el

desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar

tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de

potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que

alcanzan los 5000 V y los 4000 A.

Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los

tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso

de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un

interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores

diferentes a los SCRs o TRIACs.

Transistores

En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como

interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que

éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto

difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un

circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.

Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por

ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de

transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT,

los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de

puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.

 

Transistor Bipolar de Potencia (TBP)

Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de

interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos

fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y

utilizados son los primeros En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del componente.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)

Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los

MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de

Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET,

los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los

primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la

mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.

 

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un

dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados

anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas

pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo

que se tiene un control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se

tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal

 

EL TRANSISTOR 

EL TRANSISTOR , NO DUPLICA EXACTAMENTE LA ACCION DE UN INTERRUPTOR DE CONTACTOS MECANICOS PERO TIENE CIERTAS VENTAJAS SOBRE ESTOS. LOS MAYORMENTE UTILIZADOS EN ESTAS APLICACIONES SON LOS TIPOS NPN, LA ACCION DE ABRIR O CERRAR EL INTERRUPTOR LO EJECUTA EL VOLTAJE DE ENTRADA QUE ES ATRAVEZ DE LA TERMINAL DE BASE, EL VOLTAJE DEBERA SER LO SUFICIENTEMENTE ALTA PARA SATURAR LA BASE EMISOR Y PUEDA CIRCULAR CORRIENTE A TRAVEZ DE LA TERMINAL DEL COLECTOR. 

COMO PROBAR LOS TRANSISTORES 

SE DEBERA CHECAR CON MULTIMETRO EN LA POSICION DE MEDICION DE VOLTAJE, CUANDO ESTA CONDUCIENDO: 

 VCE= 0 VOLTS, 

CUANDO ESTA EN CORTE : 

VCE=VCC. 

SI Vin O VOLTAJE DE LA TERMINAL DE ENTRADA CAE ABAJO DEL VALOR NOMINAL DEL VOLTAJE DE ENTRADA HAY UNA FALLA EN LA BASE Y EL COLECTOR. 

APLICACIONES DEL TRANSISTOR 

LAMPARAS INDICADORAS (LEDS) 

INDICADORES DIGITALES 

Convertidores CA/CC – Rectificadores

Introducción

Este apartado se inicia con una revisión de algunos conceptos básicos de los

rectificadores. La distribución de energía eléctrica se hace, esencialmente, en corriente

alterna, debido, principalmente, a la facilidad de adaptación del nivel de tensión por medio de

transformadores.

Sin embargo, en muchas aplicaciones, la carga alimentada requiere una tensión

continua. La conversión CA/CC es realizada por convertidores estáticos de energía,

comúnmente denominados rectificadores. Por tanto, un rectificador es un sistema electrónico

de potencia cuya función es convertir una tensión alterna en una tensión continua.

En una primera clasificación, podemos diferenciar los rectificadores de acuerdo con el

número de fases de la tensión alterna de entrada (monofásico, bifásico, trifásico, hexafásico,

etc.). Dentro de estos, podemos diferenciar los rectificadores en función del tipo de conexión

de los elementos (media onda y de onda completa). Otra posible clasificación es según su

capacidad de ajustar el valor de la tensión de salida, ello depende de si se emplean diodos o

tiristores. Los rectificadores no controlados son aquellos que utilizan diodos como elementos

de rectificación, en cuanto que los controlados utilizan tiristores o transistores.

 

Rectificadores no controlados

A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos electrónicos que

permitan el paso de la corriente en un sentido, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique

una tensión de polaridad inapropiada. Para ello, en los rectificadores no controlados, como ya

se ha comentado, el componente más adecuado y utilizado es el diodo semiconductor.

Como se comentó en el capítulo dedicado a los dispositivos de electrónica de potencia, el

diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales, ánodo y cátodo, que dejará pasar la

corriente cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo, y no conducirá cuando la tensión

aplicada a sus extremos sea la contraria. Ello conlleva a que el diodo sea un componente

adecuado para ser utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador. En estado de bloqueo, la corriente que circula por un diodo recibe el nombre de corriente de fugas y es prácticamente nula.

También se ha de tener en cuenta, además de la tensión directa (en conducción) VF, la tensión inversa que soporta el diodo VR.

 

Rectificador monofásico de media onda

Es el rectificador más sencillo que existe, y en consecuencia el más barato. Simplemente

es necesario un diodo entre la alimentación de alterna y la carga, Podría existir un transformador si se desea aislamiento galvánico entre la red eléctrica y la carga. Este circuito sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada; o sea, cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Podemos considerarlo como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. Si modelamos la carga por una resistencia, el análisis es muy sencillo. El diodo conducirá si la tensión de entrada Vs es positiva. En ese caso, la tensión que verá la carga ( O V ), será aproximadamente la tensión de entrada, siempre y cuando despreciemos la caída de tensión del diodo en estado de conducción. Si la tensión de entrada es negativa, el diodo no puede conducir dado que ve una tensión ánodo cátodo negativa. La carga ve una tensión nula entre sus bornes, dado que no hay circulación de corriente.

 

Rectificador con transformador de toma media

En este caso, para rectificar la onda completa, se utilizan 2 diodos, en una configuración

denominada rectificador con transformador en toma media. En electrónica de potencia, estos rectificadores se suelen utilizar frecuentemente en etapas donde la frecuencia de entrada es elevada, puesto que en éste caso se consigue reducir el tamaño del transformador.

Si hubiera que destacar un inconveniente en la topología del rectificador con

transformador en toma media, éste sería el hecho de que los diodos deben soportar una

tensión inversa doble al que soportaban para el rectificador de media onda.

 

Rectificador en puente

En este caso, para rectificar la onda completa, se utilizan 4 diodos, en una

configuración denominada puente completo o puente de Graetz. Recibe el nombre de puente

rectificador, por estar formado por cuatro diodos conectados en puente y su principal ventaja

respecto al rectificador de onda completa con toma media es que no necesita transformador.

 

Rectificador trifásico de onda completa no controlado con carga resistiva

De forma análoga a los casos anteriores, se puede implementar un rectificador trifásico

utilizando diodos. Los rectificadores trifásicos se utilizan normalmente en la industria para producir

tensión y corriente continuas para grandes cargas.

CA/CC – Rectificadores

Rectificadores con filtro

Si se quiere mejorar la forma de onda que aparece a la salida de un rectificador es

necesario el empleo de un filtro, básicamente, basado en un condensador. El condensador

permite mantener la tensión de salida casi constante, reduciendo el rizado de tensión final.

Rectificadores controlados

Los rectificadores que hemos visto hasta ahora estaban basados en diodos,

semiconductores sobre los cuales no tenemos ningún control ni de encendido (puesta en

conducción) ni de apagado (bloqueo). Si queremos controlar la tensión de salida de un

rectificador, es necesario utilizar semiconductores de potencia que puedan ser controlados.

Lo más usual es utilizar dispositivos de la familia de los tiristores.

Por tanto, se puede decir que los rectificadores controlados reciben este nombre por

que utilizan un dispositivo de control, en este caso el tiristor. Se utilizan las mismas

topologías que en el caso de los rectificadores no controlados, pero sustituyendo los diodos

por tiristores. La ventaja de utilizar tiristores viene dada por la capacidad de éstos de retardar

su puesta en conducción, sucediendo ésta cuando la tensión ánodo-cátodo sea positiva y

además reciba un pulso adecuado de tensión y corriente en su puerta.

Al retardar el ángulo de disparo es posible variar la tensión rectificada de salida, de ahí

el calificativo de “controlados”.

En los rectificadores controlados, por lo tanto, se controla la puesta en conducción del

tiristor y el bloqueo se realiza de forma natural cuando se anula la corriente por el dispositivo.

Convertidores CA/CC – Rectificadores

Rectificador monofásico controlado de media onda y carga resistiva

un rectificador monofásico de media onda controlado. Durante el semiciclo positivo de la tensión de entrada, la tensión ánodo-cátodo es positiva, de manera que el SCR puede entrar en conducción.  Controlando el ángulo de disparo de los tiristores somos capaces de enviar más o menos energía a la carga, con lo que estamos controlando el valor medio de la tensión de salida del rectificador.

Rectificador monofásico totalmente controlado

En este montaje, los diodos que formaban el puente rectificador no controlado se sustituyen

por tiristores tipo SCR, haciendo posible el control de fase de una onda completa de la señal de entrada.

Cargadores de baterías.

Una de las aplicaciones más comunes de los rectificadores son los cargadores de baterías. La idea es transformar energía de CA (red monofásica o trifásica) en CC para cargar baterías. El rectificador puede ser de cualquier tipo, controlado, no controlado, monofásico, trifásico, de media onda o de onda completa, etc., dependiendo de las disponibilidades y necesidades de energía. En el caso de un cargador de batería controlado, puesto que dependiendo del ángulo de disparo de cada uno de los SCR, se controla la corriente de carga de la batería. Se suele añadir una impedancia entre la batería y el rectificador, típicamente una bobina, para limitar la corriente y reducir el rizado. Para mejorar la vida de las baterías es necesario realizar un control complejo del sistema, ya sea, en modo tensión o modo corriente, de manera que se optimice el ciclo de carga y se alargue la vida de las baterías.