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INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA INDICE Introducción……………………………………………………………………...4 1. Electrónica de potencia…………………………………………………………5 1.1 Definición……………………………………………………………………..5 1.2 Aplicaciones…………………………………………………………………...5 2. Dispositivos de Control………………………………………………………….5 2.1 Definición……………………………………………………………………..5 2.2 Diodos: ……………………………………………………………………….6 2.2.1 Diodo zener: …………………………………………………………………6 2.2.2 Diodo de Potencia: …………………………………………………………..7 2.2.3 Diodo Schottky: ………………………………………………………………7 2.3 Transistores ……………………………………………………………………7 2.3.1 Transistores BJT ………………………………………………………………7 2.3.1.1 Conmutador…………………………………………………………………8 2.3.1.2 Darlington………………………………………………………………….8 2.3.1.3 Amplificador………………………………………………………………..8 2.3.2 Transistores MOSFET…………………………………………………………8 2.4 Tiristores………………………………………………………………………..8 3. Sistemas de conversión y Tipos de Convertidores ………………………………….9 3.1 Definición……………...……………………………………………………….9 3.2 Transductores…………................................................................................9 3.2.1 Sensores …………………………………………………………………… 9 3.2.2 Actuador: ……………………………………………………………………10 3.3 Reguladores……………………………………………………………………10 3.3. DC Troceador o Chopper: …………………………………………………….10 3.3.2 AC……………………………………………………………………………10 3.4 Rectificadores…………………………………………………………………..10 3.3.2 DC/AC: ……………………………………………………………………..11 3.3.2 AC/DC: ……………………………………………………………………..11 Conclusión……………………………………………………………………….12 Anexos …………………………………………………………………………...13 Bibliografías ……………………………………………………………………16 INTRODUCIÓN La potencia es una magnitud importante dentro de los circuitos eléctricos, permite conocer los límites y capacidades de cada componente, los requerimientos básicos para su funcionamiento, la alimentación necesaria para su ejecución, los criterios de conversión y transformación de energía, la utilidad y ventajas que tiene un sistema sobre otro (en términos de eficiencia). Todos estos principios que son necesarios para el diseño y construcción de un circuito eléctrico. Es por esto que a nivel de ingeniería la electrónica de potencia es un pilar elemental, y es preciso conocer los fundamentos de sus nociones, dispositivos, sistemas, y principios en los que se basa para tener un buen desempeño. A continuación se presentan conceptos básicos que refieren a la esencia de la electrónica de potencia. 1. Electrónica de potencia: 1.1 Definición: La electrónica de potencia es la disciplina o sub-área dentro de la electrónica y la eléctrica que se encarga del estudio, disposición, adaptación e implementación de circuitos electrónicos especializados en el control y el manejo eficaz de la corriente eléctrica, siendo el aprovechamiento y protección de esta su objetivo principal. Se incluye también la conducción del flujo eléctrico a través de semiconductores de potencia (cuidando sus especificaciones) y la transformación o conversión de corriente y voltaje a los valores requeridos en un circuido eléctrico determinado. 1.2 Aplicaciones: La electrónica de potencia cuenta con muchas aplicaciones teóricas y prácticas. Es indispensable conocer los fundamentos de la electrónica de potencia al momento de diseñar y construir un circuito eléctrico, aparte la comprensión de la potencia de los componentes involucrados (semiconductores) permite entender los límites y el funcionamiento del circuito eléctrico. Hoy en día se han instaurado muchos drivers y conversores de potencia en los circuitos. Estos son producto directo de la electrónica de potencia. Se consiguen ejemplos cotidianos como: Las Fuentes de alimentación conmutadas de alto rendimiento, Tarjetas controladoras de motores eléctricos, Sistemas de alimentación, Conversores de voltaje de altas tensiones entre otros. 2. Dispositivos de Control: 2.1 Definición: La electrónica de potencia no solo se basa en adaptar la potencia y la corriente dentro de un circuito eléctrico sino que también hace ahínco en el control “a voluntad” de esta potencia. Es decir que el circuito debe ser capaz de suministrar o limitar la potencia según sea el caso para preservar el buen funcionamiento e integridad del circuito, estableciendo márgenes de potencia de trabajo y controlando el rango de este. Además este control debe suceder lo más instantáneamente posible. La principal estrategia del control de potencia es el empleo de dispositivos semiconductores como transistores o diodos que según su polarización pueden ser configurados en modo conmutador, en control ON/OFF corte/saturación. Además se les anexa bobinas, condensadores y otros elementos pasivos para la transformación de potencia y evitar pérdidas de energía (efecto Joule). A continuación se presentan algunos de estos dispositivos: 2.2 Diodos: Dispositivos semiconductores clásicos de la electrónica. Se basan en la unión PN que representa el dopaje de dos materiales (Se agregan impurezas para dotar al material de nuevas propiedades eléctricas y de conducción). El material tipo N tiene facilidad para donar electrones, mientras que el material tipo P se caracteriza por la aparición de “huecos” de carga positiva. Estos dos materiales están en contacto y pueden conducir corriente eléctrica según la polarización puesta en sus terminales ánodo y cátodo. Posee una curva característica que convienen mucho para las aplicaciones de potencia, ya que pequeños incrementos de la tensión provocan grandes variaciones de la corriente. Posee una corriente máxima (al estar polarizado directamente), una corriente inversa de saturación (al polarizar inversamente) y una tensión de ruptura (Voltaje inverso límite que el diodo soporta). 2.2.1 Diodo zener: Es un diodo de silicio fuertemente dopado, es de uso crucial en aplicaciones de potencia por ser un regulador de tensión muy eficaz. Esto sucede al aprovechar las características de su curva de operación y de la tensión de ruptura. Su polarización directa provoca un comportamiento normal, pero en su polarización inversa el diodo zener posee un voltaje zener el cual es constante ante un rango de corrientes determinado. Esto quiere decir que independientemente de la corriente que pase por el diodo (si está polarizado en inversa y dentro de las especificaciones del conductor) el voltaje se mantendrá constante y puede ser usado como voltaje de referencia y controlador de la tensión de un circuito. Si la corriente excede de los límites del semiconductor este se consumirá por el efecto Joule. 2.2.2 Diodo de Potencia: Un diodo es capaz de manejar grandes variaciones de la corriente a partir de pequeños incrementos de tensión (en polarización directa) y de actuar como una barrera de bloqueo contra la corriente inversa soportando también grandes tensiones negativas antes de fundirse (en polarización inversa). 2.2.3 Diodo Schottky: Un diodo especialista en conmutaciones rápidas, con tiempos de 1 nanosegundos para cambiar su polarización de directa a inversa, por lo que puede ser utilizado a altas velocidades y frecuencias por su respuesta prácticamente inmediata, aparte por su configuración y curva elimina los exceso de corriente en circuitos de alta intensidad. 2.3 Transistores Son usados como conversores estáticos de potencia (en conmutación o resonancia), en control de motores, estabilizadores de tensión y corriente, inversores, amplificadores y llaves de alta potencia. 2.3.1 Transistores BJT Similar al diodo, es un material semiconductor que posee tres materiales dopados dándose las uniones PNP y NPN. Se compone de un emisor, una base y un colector, su comportamiento se exhibe en una recta de carga donde se identifican sus zonas de trabajo normal, corte y saturación. Según sus polarizaciones y configuraciones tiene muchas aplicaciones en potencia pudiéndose usar como amplificador, conmutador, rectificador y oscilador. 2.3.1.1 Conmutador: Modo de configuración análoga a un relé que alterna los modos de trabajo de corte (Voltaje máximo, corriente mínima) y saturación (Corriente máxima, voltaje mínimo). Ideal para el control de encendido/apagadoON/OFF a partir de voltajes. 2.3.1.2 Darlington: Configuración de dos transistores donde la corriente se amplifica dependiendo del β siguiendo el Ic = β Ib. 2.3.1.3 Amplificador: Es análogo al modelo de Ebers-Moll el cual son dos diodos: uno 3en directo (base-emisor) y otro en inverso (base-colector). De esta manera se cumple que IC = β IB siendo que el β depende de las especificaciones de cada transistor. Puede configurarse de distintas maneras teniendo el colector común, emisor común y base común. 2.3.2 Transistores MOSFET Se diferencian de los BJT porque tienen una mejor velocidad de conmutación, en tiempo de nano segundos, mayores áreas de funcionamiento, mayores ganancias y una alta impedancia de entrada (lo que lo hace ideal en el control de potencia). Es muy usado en circuitos integrados e incorpora la región óhmica. Se usan como convertidores de baja y alta frecuencia, sistemas controladores directos e inversores de motores, generador de frecuencias, transmisores y amplificadores. 2.4 Tiristores: Poseen cuatro capas ordenadas en uniones PNPN, es un semiconductor que cuenta con ánodo, cátodo y una compuerta que activa la conducción del tiristor al recibir una señal en sentido ánodo-cátodo. Se usan en rectificación de tensiones, manejo de altas tensiones y sistemas de adaptación de potencia. 3. Sistemas de conversión y Tipos de Convertidores 3.1 Definición: La conversión es la transformación de la energía en otra forma de energía buscando el máximo aprovechamiento de esta y el mínimo de perdidas teniendo en cuenta las leyes de la termodinámica. En la electrónica de potencia la conversión es algo fundamental ya que involucra la adaptación de niveles de energía y la interpretación de estas en el ámbito de control. Utilizan criterios de conmutación y rectificación pudiéndose identificar reguladores (AC, DC) rectificadores (AC/DC, DC/AC) y transductores. 3.2 Transductores: Son capaces de convertir una forma de energía en otra distinta, pueden ser de tipo electrónico con lo que transforman magnitudes de presión, temperatura, fuerza, movimiento… a una señal eléctrica “proporcional” según la escala del transductor. La forma más simplista de ver un transductor es que son dispositivos que reciben una entrada y generan una salida conmedida y al respecto de la entrada inicial. Pueden dividirse en: 3.2.1 Sensores: Son capaces de detectar señales de entrada, perciben la forma de energía designada y traducen a una señal eléctrica entendible que contenga información a interpretar de la señal de entrada. 3.2.2 Actuador: Son capaces de producir una salida que corresponde a una forma de energía, en el ámbito electrónico reciben una señal eléctrica y producen una salida proporcional a esta. 3.3 Reguladores: No cambian la forma de energía solamente la adaptan a los niveles requeridos. Es decir la forma de energía de la señal de entrada es la misma que la señal de salida solo cambia la magnitud de la señal que varía según las especificaciones del circuito. 3.3. DC Troceador o Chopper: Recibe una señal de entrada continua llamada tensión estática y envía una señal de la misma naturaleza cambiando únicamente el valor de la señal. Hace uso de diodos y diodos zener para mantener una tensión de referencia. Son usados como fuentes de alimentación de equipos y maquinarias en general, controles de motores, amplificadores y drivers. 3.3.2 AC: Transforma una tensión alterna cambiando su valor eficaz, su frecuencia y su desfase. Usan combinaciones de diodos con condensadores para cambiar las frecuencias y resistencias para cambiar las cargas y el valor eficaz. Usualmente se emplean en el control de motores síncronos y asíncronos, reguladores industriales y procesos de domótica. 3.4 Rectificadores: Transforma tensiones y realiza conversiones AC/DC y DC/AC, tiene grandes potencialidades adaptativas y es útil a la hora de aprovechar la energía y la vida útil de los componentes. Resulta eficaz intercalar sistemas rectificadores para el manejo de la potencia. 3.3.2 AC/DC: Es el rectificador clásico, transforma señales de alterna a señales continuas. Utiliza configuraciones de diodos de rectificadores de media onda y onda completa combinando con condensadores de Tauss adecuado para conseguir la tensión más continua posible. Esos convertidores son de uso cotidiano y se encuentran en equipos de uso personal ya que el suministro eléctrico es dado en tensión alterna. 3.3.2 DC/AC: Es el rectificador inversor, transforma señales continuas a señales alternas. Utiliza conmutadores periódicos u osciladores para generar ondas cuadradas y obtener frecuencias. Se encuentran en plantas y generadores industriales. Conclusiones La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. El manejo y aprovechamiento de esta energía es crucial para los circuitos eléctricos. El objetivo de la electrónica de potencia es maximizar el uso de esta energía (tanto en transferencia como en utilización) y minimizar las pérdidas de la misma por dispersarse en el ambiente (efecto Joule). Esto se logra a través del empleo de dispositivos semiconductores tales como diodos, transistores y tiristores, que ordenados en ciertas configuraciones y tomando ventaja de sus propiedades electrónicas y de conducción se erigen en sistemas convertidores y manejadores de potencia. Qué bien pueden ser usados para el control, alimentación, amplificación u conversión de la corriente y tensión de circuitos electrónicos. El entendimiento de la electrónica de potencia es crucial para cualquier ingeniero. Anexos Diodos Curva de diodo Diodo Zener Configuración Darlington Transistores BJT Recta de carga Modelos de transistores Tiristores Ánodo y cátodo del diodo Conmutador Rectificador Bibliografías Electrónicas · http://www.iuma.ulpgc.es/~roberto/asignaturas/EI/transparencias/EI_Tema_3.2.Transistor_potencia.pdf · http://neutron.ing.ucv.ve/pintop/Electr%C3%B3nica%20III/Libros/Libro%20Electronica%20de%20Potencia%20Mohan%203ed.pdf · https://riverraid17.files.wordpress.com/2010/03/electronica-de-potencia-rashid-espanol.pdf · https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_potencia · https://dademuch.com/2019/03/22/electronica-de-potencia-introduccion/ · https://www.uv.es/~marinjl/electro/diodo.html#:~:text=Los%20diodos%20de%20potencia%20se,una%20peque%C3%B1a%20intensidad%20de%20fugas.&text=VD%3A%20tensi%C3%B3n%20de%20codo. · https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo · https://siticed.com.mx/2020/04/03/convertidores-de-electronica-de-potencia/ · https://www.mpptsolar.com/es/esquema-funcionamiento-inversor.html#:~:text=El%20t%C3%A9rmino%20%22Inversor%22%20tambi%C3%A9n%20se,alimentaci%C3%B3n%20de%20particulares%20m%C3%A1quinas%20de 1 1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
