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ELECTRNICA INDUSTRIAL
UNIDAD 1. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC Y CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-AC
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CAPITULO 1. INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA DE POTENCIA
1.1 QUE ES LA ELECTRNICA DE POTENCIA
Es la aplicacin de circuitos basados en dispositivos de estado slido
(semiconductores) con el propsito de controlar y efectuar conversiones de la
energa elctrica. La figura 1, muestra la concepcin de un sistema de
electrnica de potencia bsico.
Figura 1. Sistema Bsico de Electrnica de Potencia.
Obsrvese que un sistema de electrnica de potencia esta compuesto
bsicamente de:
Fuente de energa elctrica: Provenientes de las redes elctricas de
potencia AC, de fuentes DC como las bateras, rectificadores AC, paneles
solares, de generadores elicos, etc.
Circuito de potencia: Es la etapa de potencia, basada principalmente en la
conmutacin (ON/OFF) de dispositivos semiconductores tales como
diodos, SCR (Rectificadores Controlados de Silicio), TRIAC (Triodos AC),
transistores MOSFET, Transistores BJT, Transistores IGBT. Tambin se
utilizan elementos pasivos como transformadores, condensadores y
bobinas. En esta etapa se manejas grandes valores de corriente y de
tensin.
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Circuito de mando: Es la etapa de control, basada principalmente en
microcontroladores, circuitos integrados lineales, DSP (Procesador Digital
de Seal), con el propsito de gobernar el suicheo de los dispositivos
semiconductores de potencia.
Carga: Puede ser puramente resistiva (cuando se controla por ejemplo el
calor) o compuesta resistiva-inductiva (RL), cuando se controlan
velocidades de motores, en donde se regulan los valores DC o RMS de la
tensin aplicada, la frecuencia, el numero de fases. Tambin pueden ser
bateras en proceso de carga, lmparas incandescentes o fluorescentes
en procesos de control de intensidad de iluminacin, etc.
1.2 DISPOSITIVOS EMPLEADOS EN LA ELECTRONICA DE POTENCIA
En este punto es importante tener una primera aproximacin al empezar a
conocer detalles de funcionamiento, como tambin caractersticas tcnicas, de
los dispositivos semiconductores que se emplean en el campo de la electrnica.
Algunos de los ms importantes son:
1.2.1 Diodos de potencia
Se encuentran en el mercado de tres clases:
De uso general, disponibles con tensiones hasta 3KV y 3.5KA,
empleados principalmente para rectificar AC de 60 Hz. La figura 2 muestra
los encapsulados comerciales de estos dispositivos.
Figura 2. Encapsulado de diodos de potencia rectificadores de baja frecuencia
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De alta velocidad o recuperacin rpida, disponibles con tensiones
hasta 1.5KV y 1KA, con tiempos de recuperacin inversa menores a 5 s y
su principal aplicacin est en convertidores de potencia de alta frecuencia
(frecuencias mayores a 20 KHz), Inversores, UPS (Unidades de Potencia
Ininterrumpida).
Schottky, disponibles con tensiones hasta 100 V y 300 A, con tiempos de
recuperacin inversa menores a 10 ns y su principal aplicacin est en
fuentes conmutadas, convertidores, cargadores de bateras, diodos de libre
paso (para descargar bobinas en conmutacin de alta frecuencia).
1.2.2 Tiristores
Son dispositivos de tres terminales, denominados nodo (A), ctodo (K) y
compuerta (G). El tiristor conduce siempre que la tensin del nodo sea mayor a
la del ctodo (como en el caso de los diodos) y que adems haya una pequea
corriente circulando desde el terminal de la compuerta al ctodo. La figura 3
muestra la construccin interna de un tiristor, su modelo equivalente con base a
transistores BJT y su smbolo electrnico.
Figura 3. Construccin interna de un tiristor
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La figura 4, muestra los distintos tipos de encapsulados existentes, dependiendo
de la capacidad de corriente manejada por el tiristor.
Figura 4. Tipos de encapsulados de tiristores
Hay varios tipos de tiristores en el mercado y se pueden clasificar de la
siguiente manera:
Rectificadores Controlados de Silicio (SCR): Una vez entra en
conduccin el circuito de compuerta ya no tiene ningn control sobre el
dispositivo. El tiristor dejar de conducir cuando el potencial del nodo es
igual o menor al del ctodo y esto se logra por conmutacin natural
(fuente de energa AC) o por conmutacin forzada mediante un circuito
adicional (fuente de energa DC). Estn disponibles con tensiones hasta
unos 6 KV y corrientes hasta 3.5 KA.
Tiristor desactivado por compuerta (GTO): Es un tiristor de auto
desactivacin, pues se activa como el SCR, pero se desactiva aplicando
un pulso negativo a la compuerta de corta duracin, por lo tanto no
requiere de circuitos de conmutacin forzada. Se aplican en conmutacin
forzada de convertidores y su disponibilidad de tensin y corriente es del
orden de 4 KV y 3 KA respectivamente.
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La figura 5 muestra el smbolo del tiristor GTO y sus principales
caractersticas.
Figura 5. Smbolo del GTO
Tiristor de induccin esttico (SITH): Funciona semejante al GTO, su
principal aplicacin esta en convertidores de potencia mediana con
frecuencias en el orden de los MHz, mucho mayores que la del GTO, con
tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta 0.3 KA.
Tiristor de conduccin inversa (RCT): Es un tiristor que incluye un
diodo conectado inversamente entre el nodo y el ctodo. Su tensin
puede ir hasta 2.5 KV, 1 KA en conduccin directa y 0.5 KA en
conduccin inversa, con tiempos de interrupcin menores a 40 s. Se
aplican principalmente en sistemas de traccin donde se requiere
interrupcin de alta velocidad.
Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT): Funciona
de manera similar al RCT, con velocidades de interrupcin de 8 s y
tensiones de solo 1.2 KV y corrientes de 0.4 KA.
Rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR): Se utilizan
principalmente en sistemas de alta tensin de hasta 6KV y 1.5 KA con
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velocidades de interrupcin de 300 s. La figura 6 muestra el smbolo de
este tiristor y sus principales caractersticas.
Figura 6. Smbolo del LASCR
Trodo de corriente alterna (TRIAC): Se comporta como dos SCR
conectados en antiparalelo con un solo terminal de compuerta. El flujo de
corriente se puede controlar en cualquier direccin. Su principal aplicacin
es control de AC de baja potencia para controles de calor, iluminacin,
motores universales e interruptor de AC. La figura 7 muestra la estructura
interna y el smbolo de un TRIAC.
Figura 7. Smbolo y estructura interna del TRIAC
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Tiristor controlado por MOS (MCT): Entran en conduccin aplicando un
pequeo pulso de voltaje negativo a la compuerta MOS respecto al nodo
y se desactivan aplicando un pequeo pulso positivo. Se comporta similar
a un GTO. Se consiguen con tensiones hasta 1 KV y corrientes de 0.1
KA. La figura 8 muestra el smbolo del MCT y sus principales
caractersticas.
Figura 8. Smbolo del MCT
1.2.3 Transistores bipolares de unin (BJT): Los BJT de alta potencia se
emplea en la mayora de las veces en los convertidores de energa que trabajan
con frecuencias menores a 10 KHz, con tensiones hasta 1.2 KV y corrientes
hasta de 0.4 KA. Se trabajan en los estados de saturacin (ON) y corte (OFF).
1.2.4 Transistores MOSFET: Se emplean en convertidores de potencia de alta
velocidad de conmutacin (varias decenas de KHz), con tensiones de hasta 1KV
y corrientes de solo 50 A. La figura 9 muestra construccin interna de un
MOSFET, sus smbolos y caractersticas ms importantes.
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Figura 9. MOSFET: Estructura interna y smbolos
1.2.5 Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT): A diferencia de los
BJT, estos no son controlados por corriente (la de Base), sino por tensin (la de
Compuerta). Presentan una velocidad de conmutacin intermedia entre los BJT
(la menor) y los MOSFET (la mayor), hasta unos 20 KHz. Su tensin y corriente
de trabajo mximo se encuentra en 1.2 KV y 0.4 KA respectivamente. La figura
10 muestra el smbolo y la estructura interna de un IGBT canal N.
Figura 10. IGBT - N: Estructura interna y smbolos
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En conclusin, el componente bsico del circuito de potencia, es decir el
elemento de conmutacin, debe cumplir los siguientes requisitos:
Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia
(bloqueo, OFF, Apagado) y otro de baja impedancia (conduccin, ON,
encendido).
Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea
potencia.
Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando
est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus
terminales de potencia (Emisor Colector para el BJT, Drenador
Surtidor para el MOSFET, nodo Ctodo para el tiristor), cuando est
en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar
grandes potencias.
Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro (ON/OFF u
OFF/ON).
El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento
habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende
de la frecuencia. La figura 11 muestra como los tiristores que trabajan a bajas
frecuencias de conmutacin pueden manejar mayores potencias en contraste
con los MOSFET que aunque conmutan a mayores frecuencias manejan
menores potencias.
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Figura 11. Relacin entre potencia manejada y frecuencia de conmutacin
1.3 CARACTERSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Es importante ahora comprender como una tensin de control puede llevar al
dispositivo de potencia a los estados de encendido (ON) y apagado (OFF).
Desde el punto de vista de las caractersticas de control los dispositivos de
potencia se pueden clasificar en:
Dispositivos con necesidad de seal continua en el terminal de
control para el encendido (compuerta o base): BJT, MOSFET, IGBT.
La figura 12 muestra este requisito en el caso del BJT. Obsrvese que
para que el BJT se mantenga encendido durante el tiempo TON se
requiere obligatoriamente que durante ese mismo tiempo se este
aplicando una seal de amplitud apropiada en el terminal de control que
en este caso es la base, de esta manera el BJT entra en saturacin y
prcticamente el colector y el emisor quedan en cortocircuito
quedando conectada la fuente de energa VF a la resistencia de carga
y por lo tanto el voltaje de salida VO es el mismo VF .
Figura 12. Caracterstica de conmutacin de un BJT
La figura 13, muestra la misma situacin anterior pero en este caso
los dispositivos de conmutacin son un MOSFET y un IGTB.
VOVF
TON
VB
TON
VO
T
T
0
0
1
t
tVF
VB
VF
VO
VGSVF
0
1
0
VO
VGS
TON Tt
TON Tt
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Figura 13. Caracterstica de conmutacin del MOSFET e IGBT
Dispositivos con necesidad de solo un pulso en el terminal de
control para el encendido (compuerta): SCR, GTO, MCT, SITH, TRIAC.
La figura 14 muestra este requisito en el caso del SCR.
Figura 14. Caracterstica de conmutacin del SCR
Obsrvese que en el instante t = 0 se suministra un pulso de corta
duracin en el terminal de compuerta del tiristor y este empieza a
conducir, es decir, entra en el estado de encendido, de tal manera que se
puede asumir que el nodo y el ctodo quedan en cortocircuito y por lo
tanto el voltaje VO de la carga es el mismo de la fuente VF. En el estado
de conduccin pulsos de compuerta negativos no tienen ningn efecto en
el SCR.
La figura 15 muestra este mismo requisito en el caso del GTO, MCT,
SITH.
Figura 15. Caracterstica de conmutacin del GTO, MCT y SITH
VFVF
0
0
1
-1
VO
VO
VG
VG
t
t
VF VO
VG
VG
0
1
-1
VF
0
VO
t
tT ON T
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En el caso del GTO y del SITH, se requiere de un solo pulso positivo en la
compuerta para llevarlo al estado de encendido y un pulso negativo para
apagarlo disparado en el tiempo TON .
En el MCT los pulsos son invertidos, es decir, pulso negativo en la
compuerta para que el dispositivo se encienda y positivo para que se
apague.
Dispositivos de encendido controlado y apagado sin control: SCR,
TRIAC. Esto significa que una vez que ha entrado en conduccin, desde
el terminal de compuerta no se puede hacer nada para llevarlo al estado
de apagado. En el caso de que la fuente de energa VF sea DC, el
dispositivo queda enganchado en conduccin de forma indefinida hasta
que por algn medio se interrumpa la corriente de potencia que circula
entre nodo y ctodo. Esta caracterstica los hace tiles en circuitos de
alarma. Cuando la fuente de energa es AC, por la misma naturaleza de la
corriente alterna, al pasar del semiciclo positivo al negativo la corriente
nodo ctodo se hace cero y adems el dispositivo queda polarizado
inversamente, es decir, el nodo con menor tensin que el ctodo,
entonces de forma natural el dispositivo se apaga (Vase la figura 14).
Dispositivos con caractersticas de encendido y apagado
controlado: BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT, SITH. Esto significa que el
encendido y apagado del dispositivo se puede controlar en cualquier
momento desde el terminal de compuerta (Vase las figuras 13, 13 y 15)
1.4 CAMPOS DE APLICACION DE LA ELECTRNICA DE POTENCIA
Las aplicaciones de la electrnica de potencia son considerables. Pero, para
tener una idea, las aplicaciones se pueden clasificar de acuerdo a la potencia
elctrica manejada de la siguiente manera:
Baja Potencia (menor a 100 W):
- Alarmas
- Balastos electrnicos
- Fuentes de alimentacin DC
- Herramientas elctricas
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Media Potencia (entre 100 W y 1 KW):
- Cargadores de bateras
- Secadores
- Reguladores de velocidad (taladros)
- Cobijas elctricas
- Lavadoras
Alta Potencia (entre 1 KW y 100 KW):
- Hornos de induccin
- Accionadores para locomotoras
- Secadoras
- Soldadura automtica
- Equipos de Rayos X
- Equipos Lser
La figura 16, muestra un equipo de RX, donde se requieren tensiones DC del
orden de los 150 KV, para alimentar el tubo de RX y obtener imgenes del
cuerpo humano.
Figura 16. Equipo de Rayos X
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Muy Alta Potencia (entre 100 KW y 1 MW):
- Inversores para generadores
- Corriente directa de alto voltaje (HVDC)
- Aceleradores de partculas
- Trenes elctricos de alta velocidad
La figura 17, muestra un acelerador lineal de partculas (LINAC), empleado
en radioterapia en tratamientos contra el cncer y en donde se utilizan las
tcnicas de la electrnica de potencia.
Figura 17. Equipo de Radioterapia
La figura 18 presenta el universo de aplicaciones actuales de los dispositivos de
conmutacin de potencia, en donde se relaciona la capacidad de potencia
manejada en volta-amperios (VA) versus la frecuencia de conmutacin en Hz.
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Figura 18. Campos de aplicacin de los dispositivos de conmutacin
1.5 CLASIFICACION DE LOS CIRCUITOS ELECTRNICOS DE POTENCIA
Aprovechando las caractersticas de conmutacin de los dispositivos
semiconductores de potencia, se puede controlar la potencia elctrica de una
forma a otra de acuerdo con las necesidades de la carga. La figura 19, muestra
todas las posibilidades de conversin de potencia elctrica.
Figura 19. Conversiones de potencia elctrica
FRECUENCIA DE CONMUTACION (Hz)
POTENCIA
MANEJADA
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Los circuitos que convierten AC en DC se denominan rectificadores.
Cuando funcionan con base en diodos se les denominara
rectificadores no controlados, cuando funcionan con base a tiristores
(SCR, GTO) se les denomina rectificadores controlados o convertidores
AC-DC y rectificadores semicontrolados cuando emplean diodos y
tiristores. Su propsito es eliminar un semiciclo de la corriente sinusoidal
o que en la carga ambos semiciclos sean de la misma polaridad para que
el valor promedio de esta nueva tensin sea diferente de cero. El voltaje
de entrada al rectificador puede ser monofsico o trifsico. Puede que se
utilice transformador para aumentar o disminuir la tensin de entrada y
acondicionarla a las necesidades de la carga (Vase la figura 20).
Figura 20. Tipos de rectificadores
Los circuitos que convierten DC en AC se denominan inversores. Se
utilizan para alimentar cargas AC a partir de fuentes DC. Los inversores
pueden ser monofsicos o trifsicos. La figura 21 muestra la concepcin
de tales circuitos. En la mayora de los casos los dispositivos de
conmutacin son transistores BJT o MOSFET y la onda seno de salida
del inversor se filtra para obtener una onda seno pura.
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Figura 21. Principio del circuito inversor
Los circuitos que convierten AC en AC se denominan convertidores
AC-AC y pueden tener dos aplicaciones. La primera dejando la frecuencia
constante y modificando el valor RMS de la tensin alterna, se les
denomina, controladores de fase. La segunda aplicacin es dejando el
valor RMS constante y modificando la frecuencia, se les denomina
cicloconvertidores. Los convertidores AC-AC pueden ser monofsicos o
trifsicos. La figura 22 muestra un controlador de fase monofsico.
Figura 22. Principio del circuito control de fase
VF
++++
----
++++
----
++++
----
++++
----
tiempotiempo
VC VO
VC
VOVF
-VF
++++
----
++++
----
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Los circuitos que convierten DC en DC se denominan pulsadores DC.
Existen dos tipos de estos convertidores: reductores y elevadores. La
figura 23 muestra un convertidor DC-DC reductor.
Figura 23. Principio del circuito convertidor DC-DC reductor
El interruptor por lo general es un BJT o un MOSFET y el voltaje de salida
Vo es igual al producto entre el ciclo de trabajo (Ton/T) y el voltaje de la
fuente de alimentacin Vg.
Todos los anteriores circuitos mencionados anteriormente, efectan
conversin de potencia elctrica cambiando la forma del voltaje de la
fuente de energa, pero los circuitos interruptores estticos no hacen
conversin, sino, como su nombre lo indica actan como elementos
conmutadores todo o nada, similares a los de naturaleza mecnica. Se
les denomina estticos ya que no hay piezas mecnicas en movimiento.
Los hay de dos tipos, para aplicaciones DC y AC (monofsicos y
trifsicos). La figura 24 muestra los circuitos bsicos de los interruptores
estticos DC y AC monofsicos.
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Figura 24. Principio de los circuitos interruptores estticos DC y AC
2. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON DIODOS DE POTENCIA
Como ya se describi anteriormente el propsito de un circuito rectificador es el
tomar una onda sinusoidal (AC) y convertirla en una onda unidireccional o de
una sola polaridad. Los circuitos rectificadores se pueden clasificar en
rectificadores de media onda y de onda completa ya sean monofsicos o
trifsicos. Antes de entrar a los detalles de funcionamiento de tales circuitos, es
necesario primero hacer un breve repaso del principio de funcionamiento de los
diodos rectificadores y sus parmetros de seleccin ya que esta funcin es
propia de los ingenieros electrnicos cuando disean y construyen o cuando
hacen mantenimiento a este tipo de circuitos.
2.1 DIODOS RECTIFICADORES
2.1.1 TIPOS DE ENCAPSULADO
Los diodos que se estudiaran en este apartado sern los rectificadores de baja
frecuencia (60 Hz) ya que son los ms utilizados en electrnica de potencia y se
dejaran de lado los diodos rpidos (fast) y los Schotkky, ya que en la mayora de
sus aplicaciones son reemplazados sobresalientemente por tiristores y
dispositivos BJT, MOSFET e IGBT. La figura 25 presenta los diferentes tipos de
encapsulados empleados en los diodos de potencia. En el caso de los diodos
rectificadores de baja frecuencia, los encapsulados mas empleados son el de
tipo cermico para aplicaciones de alta tensin y corriente, el de tipo tornillo para
aplicaciones de bajo voltaje y corriente y el de tornillo con cable de extensin
para aplicaciones de media tensin y corriente.
INTERRUPTOR ESTATICO DC
INTERRUPTOR ESTATICO AC MONOFASICO
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Figura 25. Tipos de encapsulado de diodos rectificadores de potencia
2.1.2 CARACTERISTICAS ESTATICAS
Se refieren al comportamiento del diodo en los estados de encendido
(conduccin, ON) y apagado (bloqueo, OFF) trabajando en baja frecuencia en
donde los tiempos de recuperacin directa e inversa (caractersticas dinmicas)
no se toman en cuenta, ya que no son relevantes en esta condicin. La figura 26
muestra la curva caracterstica de un diodo rectificador modelado de forma real.
Figura 26. Curva caracterstica de los diodos rectificadores de potencia
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El cuadrante I, presenta el comportamiento cuando el diodo se encuentra
polarizado directamente y por lo tanto se encuentra encendido y el cuadrante III,
cuando se encuentra polarizado inversamente y por lo tanto se encuentra
apagado. Tambin muestra los circuitos que lo modelan en llos estados
mencionados anteriormente de forma respectiva.
Los parmetros de seleccin de un diodo rectificador de baja frecuencia
bsicamente son los siguientes:
Del estado de encendido:
1. Intensidad medio nominal (IFAV) o IDC: Es el mximo valor promedio de
la corriente que el diodo puede soportar a determinada temperatura
del encapsulado (normalmente a 110 C mximo). Se calcula con la
formula de la ecuacin 1:
2. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): Mxima intensidad que puede ser
soportada cada 16.7 ms (60 Hz) por tiempo indefinido, con duracin de
pico de 1 ms a determinada temperatura del encapsulado (normalmente a
110 C mximo)
Del estado de apagado:
3. Tensin inversa de trabajo (VRRM): Tensin inversa mxima que puede
ser soportada por el diodo en picos de 1 ms repetidos cada 8.3 ms por
tiempo indefinido sin peligro de avalancha.
2.2 TENSIONES DE FASE DE UNA RED TRIFASICA
En este punto es necesario hacer un breve repaso del principio de
funcionamiento de una red AC trifsica. La figura 27 muestra los voltajes de fase
trifsicos medidos con respecto al neutro. Las fases se denominan R, S y T y el
neutro N. La fase R (color rojo) parte del origen de la base de tiempos y por lo
tanto su ngulo de fase es cero. La fase S (color azul) se encuentra atrasada
con respecto a R 120, es decir que inicia a partir 2pi/3 radianes. La fase T (color
(ECUACION 1)0
T___ i(t) dt ;1
T
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23
marrn) se encuentra atrasada con respecto a R 240, que es igual a estar
adelantada 120, es decir que inicia a partir de 4pi/3 radianes.
Figura 27. Tensiones de fase
Las ecuaciones que describen el comportamiento senoidal de la corriente alterna
son las siguientes:
VR = VMF sen t; (Ecuacin 2),
VS = VMF sen (t 120); (Ecuacin 3),
VT = VMF sen (t + 120); (Ecuacin 4),
Donde VMF, es el voltaje pico de la onda seno y es igual a: 2 VRMS. En
Colombia, en instalaciones residenciales e industriales de baja tensin el valor
RMS de las tensiones de fase es de 120 V y por lo tanto el pico es de 170 V
aproximadamente. As mismo, , es la velocidad angular medida en radianes
por segundo y es igual a 2pif, donde f, es la frecuencia lineal y en nuestro pas
esta es de 60 Hz. En conclusin:
VMF = 2 VRMS; (Ecuacin 5),
= 2pif; (Ecuacin 6).
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24
2.3 RECTIFICADOR TRIFASICO DE MEDIA ONDA
No se considerar en este apartado los rectificadores monofsico de media onda
y onda completa ya que estn suficientemente explicados en la literatura de
electrnica general, mas bien se estudiaran los rectificadores trifsicos. La figura
28 muestra como a partir de la red trifsica AC se rectifica y se entrega corriente
continua a motores DC, hornos de induccin, hornos de fundicin, procesos
electrolticos de galvanoplastia, etc.
Como el rectificador trifsico de media onda trabaja con voltajes de fase se har
una breve repaso de los sistemas elctricos trifsicos.
Figura 28. Concepcin de un rectificador trifsico
Las ventajas de los rectificadores trifsicos con respecto a los monofsicos son
las siguientes:
Mayor potencia de salida
Mayor tensin DC a la salida
Menor rizado en la tensin de salida
Menores exigencias para el filtro de salida
Mejor factor de potencia
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25
La figura 29 muestra un rectificador trifsico de media onda con carga resistiva.
Figura 29. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva
Con respecto a la figura 29 se pueden hacer las siguientes observaciones:
El transformador empleado es del tipo estrella estrella (Y-Y).
Un transformador trifsico equivale a conectar a 3 monofsicos.
El punto comn de los arrollamientos secundarios es el neutro, N.
Si solo se usara un arrollamiento secundario, se tendra un rectificador
monofsico de media onda.
El rectificador trifsico de media onda consiste en conectar tres
rectificadores monofsicos de media onda en paralelo.
Cuando cualquiera de los diodos conduce a la carga le queda conectada
la fase respectiva, por lo tanto en este tipo de rectificador, se trabaja con
tensiones de fase.
Solo un diodo conduce a la vez, ya que si lo hicieran dos o tres al mismo
tiempo se presentara un cortocircuito.
La figura 30, muestra la condicin para que el diodo D1 entre en conduccin y le
quede aplicada a la carga la fase R.
N
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Figura 30. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva. Diodo 1 en conduccin
Anlisis del intervalo 30 (pi/6 radianes) hasta los 150 (5 pi/6 radianes):
La fase R se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los
mayores valores de tensin, por lo tanto el diodo D1 es el que queda
polarizado directamente y entra en conduccin (ON).
La fase S se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D2
se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado
(OFF).
La fase T, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo
positivo, como D1 conduce, al ctodo D2 le queda la fase R con mayor
tensin que su nodo y por lo tanto queda polarizado inversamente
(OFF).
El diodo D1 conduce durante 120.
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27
La figura 31, muestra la condicin para que el diodo D2 entre en conduccin y le
quede aplicada a la carga la fase S.
Figura 31. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva. Diodo 2 en conduccin
Anlisis del intervalo 150 (5pi/6 radianes) hasta los 270 (3pi/2 radianes):
La fase S se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los
mayores valores de tensin, por lo tanto el diodo D2 es el que queda
polarizado directamente y entra en conduccin (ON).
La fase T se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D3
se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado
(OFF).
La fase R, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo
positivo, como D2 conduce, al ctodo D1 le queda la fase S con mayor
tensin que su nodo y por lo tanto queda polarizado inversamente
(OFF).
El diodo D2 conduce durante 120.
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28
La figura 32, muestra la condicin para que el diodo D3 entre en conduccin y le
quede aplicada a la carga la fase T.
Figura 32. Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva. Diodo 3 en conduccin
Anlisis del intervalo 270 (3pi/2 radianes) hasta los 390 (pi/6 radianes):
La fase T se encuentra en el semiciclo positivo y es la que toma los
mayores valores de tensin, por lo tanto el diodo D3 es el que queda
polarizado directamente y entra en conduccin (ON).
La fase R se encuentra en el semiciclo negativo, por lo tanto el diodo D1
se encuentra polarizado inversamente y de esta manera queda bloqueado
(OFF).
La fase S, aunque durante un corto intervalo se encuentra en el semiciclo
positivo, como D3 conduce, al ctodo D2 le queda la fase T con mayor
tensin que su nodo y por lo tanto queda polarizado inversamente
(OFF).
El diodo D3 conduce durante 120.
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29
La figura 33 sirve para calcular el valor DC de la tensin de salida del rectificador
de media onda con carga resistiva.
Figura 33. Onda de salida del Rectificador trifsico de media onda con carga resistiva.
Para calcular el valor promedio (VDC) de una tensin se utiliza la siguiente
ecuacin:
Para aplicar esta ecuacin es necesario determinar el periodo en
radianes, como se muestra a continuacin:
T = 5pi/6 - pi/6 = 2pi/3 radianes
Lo anterior implica que el periodo de la onda rectificada es 1/3 de la onda
seno de cualquiera de las fases y por lo tanto la frecuencia es tres veces
mayor, es decir, 180 Hz.
Para aplicar la ecuacin 7 se utilizara la ecuacin de tensin de la fase R,
integrada entre los lmites pi/6 y 5pi/6.
VDC =
VMF
VMF VMF VMF
VMF
(ECUACION 7)0
T___ V(t) dt ;1
TVDC =
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30
Resolviendo la ecuacin 8 se obtiene el valor promedio o DC de la tensin de
salida del rectificador trifsico de media onda con carga resistiva:
Recordando que el valor DC de la tensin de salida de un rectificador
monofsico de onda completa es 2VMF / pi, entonces, la tensin de salida del
rectificador trifsico de media onda es 1.3 veces mas grande, es decir, al
emplear un rectificador trifsico de media onda se logra un aumento del 30%, lo
cual justifica utilizarlo.
Ahora se puede calcular el valor de la corriente DC que circula por la carga RL
de la siguiente manera:
IDC = VDC / RL ; (Ecuacin 10)
Tambin es importante calcular el valor DC de la corriente a travs de los diodos
(IDDC) ya que este es un parmetro de seleccin (IFAV). Como los tres diodos
estn conectados al mismo nodo de la carga y como las tensiones de la fase
tienen la misma magnitud, la corriente DC por estos es 1/3 de la corriente DC
por la carga:
IDDC = VDC /(3 RL ); (Ecuacin 11)
Se calcular ahora el valor eficaz o RMS de la corriente por cada diodo que
corresponde a la corriente por fase de cada devanado secundario del
transformador que sirve para determinar el calibre del conductor de los mismos y
tambin para determinar la potencia del secundario. En radianes el periodo de la
corriente por los diodos es 2pi radianes, por lo tanto la corriente eficaz por el
diodo 1 correspondiente a la fase R es:
(ECUACION 8)pi/6
5pi/6____ VMF sen t dt ;1
2pi/3VDC =
(ECUACION 9)____VMF ; 3 3
2piVDC =
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Resolviendo la ecuacin 12 se obtiene:
IDRMS = 0.4854 IMF; (Ecuacin 13), donde IMF esta dado por:
IMF = VMF / RL; (Ecuacin 14), La especificacin en potencia aparente S en VA del transformador suponiendo
que es ideal (cero perdidas de potencia) ser:
S = 3 VFRMS IDRMS = 2.06 VFRMS2 / RL ; (Ecuacin 15).
Es importante analizar ahora las tensiones de polarizacin inversa que soportan
los diodos del rectificador cuando se encuentras apagados (OFF) para
asegurarse de que no entraran en avalancha al exceder el lmite de (VRRM).
La figura 34 muestra la condicin del circuito cuando el diodo D1 se encuentra
abierto debido a que D2 conduce, durante el intervalo 5pi/6 y 3pi/2.
Figura 34. Tensin de polarizacin inversa del diodo D1 cuando D2 conduce.
En este caso la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la
del ctodo es la de la fase S, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y
ctodo es VRS , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,
(ECUACION 12 )pi /6
5pi /6____ (IMF sen t)2 dt ;
1
2piIDRMS = [ ]
1 /2
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que es 3 veces mayor que una tensin de fase, como se explicar en el
apartado siguiente.
La figura 35 muestra la condicin del circuito cuando el diodo D1 se encuentra
abierto debido a que D3 conduce, durante el intervalo 3pi/2 y pi/6.
Figura 35. Tensin de polarizacin inversa del diodo D1 cuando D3 conduce.
En este caso la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la
del ctodo es la de la fase T, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y
ctodo es VRT , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,
que es 3 veces mayor que una tensin de fase.
En vista de lo anterior, la mxima tensin de pico inverso es:
VRRM = 3 VMF ; (Ecuacin 16)
La figura 36 muestra los valores del factor de forma (FF) que se considera como
una medida de la tensin de salida en donde se halla el cociente entre el valor
RMS y el DC. Tambin se muestra el valor del factor de la componente
ondulatoria definida como el cociente entre el valor eficaz de todas las
componentes sinusoidales que conforman la onda (serie trigonomtrica de
Fourier) y el valor DC.
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33
Figura 36. Factor de Forma y Factor de Rizado
2.4 TENSIONES DE LINEA DE UNA RED TRIFASICA
Las cargas trifsicas se pueden conectar entre las fases y el neutro, como se
conect el transformador en el rectificador trifsico de media onda, en este caso
se dice que la carga est alimentada por voltajes de fase. Tambin se pueden
conectar entre las fases sin utilizar el neutro, en este caso se dice que la carga
est alimentada por los voltajes de lnea VRS, VST y VTR. La figura 37 ilustra como
se obtienen los voltajes de lnea a partir de los de fase y la relacin entre estos.
Como puede observarse una tensin de lnea se obtienen a partir de las
diferencias entre dos tensiones de fase.
VRS = VR - VS = 3 VMF sen (t + 30); (Ecuacin 17),
VST = VS VT = 3 VMF sen (t - 30); (Ecuacin 18),
VTR = VT VR = 3 VMF sen (t + 150); (Ecuacin 19),
VORMS
VODC VMF
VMF
VMF
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De las ecuaciones anteriores se puede concluir:
Que las tensiones de lnea son 3 veces ms grandes que las de fase,
por eso en Colombia, como el voltaje de fase es de 120 V RMS, el voltaje
de lnea es de 208 V RMS aproximadamente.
Las tensiones de lnea adelantan a las de fase en 30.
Las tensiones de lnea al igual que las de fase se encuentran defasadas
entre si 120.
Figura 37. Tensiones de lnea de una red trifsica
2.5 RECTIFICADOR TRIFSICO DE ONDA COMPLETA
La figura 38 muestra el circuito de un rectificador trifsico de onda completa,
denominado tambin puente rectificador trifsico.
Este circuito rectificador tiene las siguientes caractersticas:
Se emplean 6 diodos.
Dos diodos conducen al mismo tiempo y aplican a la carga tensiones de
lnea, no de fase, por lo tanto, el valor DC de la tensin en la carga ser
mayor que el producido por el puente rectificador de media onda.
Cuando se emplea transformador, el secundario se conecta en estrella,
para aumentar las tensiones de lnea.
Presenta menor tensin de rizado.
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La frecuencia es 6 veces mayor que la de la red, es decir que en
Colombia, la frecuencia de la onda de salida de este tipo de rectificador
es de 360 Hz.
Figura 38. Puente rectificador trifsico
El proceso de conduccin es el siguiente:
1) Cuando D1 conduce la corriente sale de la fase R, pasa por D1, atraviesa
la carga y cuando retorna a travs del diodo D5, la tensin aplicada a la
carga es la tensin de lnea VRS. Cuando retorna a travs del diodo D6, la
tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VRT.
2) Cuando D2 conduce la corriente sale de la fase S, pasa por D2, atraviesa
la carga y cuando retorna a travs del diodo D6, la tensin aplicada a la
carga es la tensin de lnea VST. Cuando retorna a travs del diodo D4, la
tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VSR.
3) Cuando D3 conduce la corriente sale de la fase T, pasa por D3, atraviesa
la carga y cuando retorna a travs del diodo D5, la tensin aplicada a la
carga es la tensin de lnea VTS. Cuando retorna a travs del diodo D4, la
tensin aplicada a la carga ser ahora la tensin de lnea VTR.
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La figura 39 muestra la tensin de salida rectificada en la carga, mostrando los
intervalos de conduccin de los diodos.
Figura 39. Onda de salida del puente rectificador trifsico
La figura 39 se construye de la siguiente manera:
1) Se dibujan primero los voltajes de lnea VRS, VST y VTR de acuerdo con las
ecuaciones 17 a 19.
2) Se dibujan los voltajes desfasados 180 de cada uno de los voltajes de
lnea dibujados en el paso 1 y que corresponden a: VSR, VTS y VRT,
respectivamente.
La figura 40, muestra la condicin para que los diodos D1 y D5 entren en
conduccin y le quede aplicada a la carga la tensin de lnea VRS, durante el
intervalo 30 (pi/6 radianes) y 90 (pi/2 radianes).
Como se puede concluir, los diodos 1 al 3 se polarizan por la tensin de fase
ms positiva y los diodos 4 al 6 por la tensin de fase ms negativa. En este
caso, durante el intervalo que se esta analizando, la fase R es la mas positiva y
la S la mas negativa, por eso conducen D1 y D5 y por lo tanto la tensin en la
carga es el voltaje de lnea VRS.
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Figura 40. Condicin de condicin de los Diodos D1 y D5 en el puente rectificador trifsico
A partir de 90 (pi/2 radianes) y hasta los 150 (5pi/6 radianes), la fase R sigue
siendo la ms positiva, pero ahora la fase T se convierte en la ms negativa, por
lo tanto D5 deja de conducir y lo hace ahora D6 y por lo tanto la tensin en la
carga es el voltaje de lnea VRT, como se muestra en la figura 41.
A partir de los 150 (5pi/6 radianes) hasta 210 (7pi/6 radianes), la fase ms
positiva es ahora S y T sigue siendo la ms negativa, por lo tanto los diodos
que conducen son D2 y D6 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la
carga es el voltaje de lnea VST, como se muestra en la figura 42.
A partir de los 210 (7pi/6 radianes) hasta 270 (9pi/6 radianes), la fase ms
positiva sigue siendo S y R es ahora la ms negativa, por lo tanto los diodos
que conducen son D2 y D4 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la
carga es el voltaje de lnea VSR.
A partir de los 270 (9pi/6 radianes) hasta 330 (11pi/6 radianes), la fase ms
positiva es ahora T y R sigue siendo la ms negativa, por lo tanto los diodos
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que conducen son D3 y D4 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la
carga es el voltaje de lnea VTR
Figura 41. Condicin de condicin de los Diodos D1 y D6 en el puente rectificador trifsico
Figura 42. Condicin de condicin de los Diodos D2 y D6 en el puente rectificador trifsico
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A partir de los 330 (11pi/6 radianes) hasta 30 (pi/6 radianes), la fase ms
positiva sigue siendo T y S es ahora la ms negativa, por lo tanto los diodos que
conducen son D3 y D5 respectivamente y entonces la tensin aplicada a la
carga es el voltaje de lnea VTS. La figura 43 muestra finalmente la tensin rectificada en la carga, con la
informacin de que diodos conducen por cada intervalo y por lo tanto sirve para
calcular el valor DC de la tensin de salida del puente rectificador trifsico con
carga resistiva.
Figura 43. Tensin de salida del puente rectificador trifsico
Para calcular el valor promedio (VDC) de una tensin se utiliza la ecuacin 7.
Para aplicar esta ecuacin es necesario determinar el periodo en
radianes, como se muestra a continuacin:
T = 3pi/6 - pi/6 = pi/3 radianes
Lo anterior implica que el periodo de la onda rectificada es 1/6 de la onda
seno de cualquiera de las fases y por lo tanto la frecuencia es 6 veces
mayor, es decir, 360 Hz.
Para aplicar la ecuacin 7 se utilizara la ecuacin de tensin de lnea VRS,
integrada entre los lmites pi/6 y pi/2.
VDC = VRS VMF VMF
VMF
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40
Resolviendo la ecuacin 20 se obtiene el valor promedio o DC de la tensin de
salida del rectificador trifsico de onda completa con carga resistiva:
Comparando la ecuacin 9 con ecuacin 21, se puede concluir que la tensin
DC del puente rectificador trifsico es el doble de la del rectificador trifsico de
media onda con lo que se logra un aumento del 100%, lo cual justifica utilizarlo.
Ahora se puede calcular el valor de la corriente DC que circula por la carga RL
de la siguiente manera:
IDC = VDC / RL ; (Ecuacin 22)
Tambin es importante calcular el valor DC de la corriente a travs de los diodos
(IDDC) ya que este es un parmetro de seleccin (IFAV). Como los tres diodos
estn conectados al mismo nodo de la carga y como las tensiones de lnea
tienen la misma magnitud, la corriente DC por estos es 1/3 de la corriente DC
por la carga:
IDDC = VDC /(3 RL ); (Ecuacin 23)
La figura 44 muestra la forma de la corriente por los diodos, en este caso para el
diodo D1. Se puede observar como en el periodo entre pi/6 y 3pi/6 conducen los
diodos D1 y D5 y durante el periodo 3pi/6 y 5pi/6 conducen los diodos D1 y D6,
lo que implica que cada diodo conduce durante 4pi/6 radianes o sea 120. El
periodo de las corrientes por los diodos es de 2pi radianes o 360. Adems, el
valor pico de la corriente por los diodos esta dada por la siguiente ecuacin:
IMD = 3 VMF / RL ; (Ecuacin 24)
(ECUACION 20)pi/6
pi2____ 3 VMF sen (t + 30) dt ;1
pi/3VDC =
(ECUACION 21)____VMF ; 3 3
piVDC =
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41
Figura 44. Forma de onda de la corriente por el diodo D1.
Se calcular ahora el valor eficaz o RMS de la corriente por lnea de cada
devanado secundario del transformador que sirve para determinar el calibre del
conductor de los mismos y tambin para determinar la potencia del secundario.
La figura 45 muestra la onda de corriente por la fase R.
Figura 45. Forma de onda de la corriente por la fase R.
En radianes el periodo de la corriente de la figura 45 es 2pi radianes, por lo tanto
la corriente eficaz correspondiente a la fase R es:
Resolviendo la ecuacin 25 se obtiene:
IFRMS = 0.7804 IMD; (Ecuacin 26) La especificacin en potencia aparente S en VA del transformador suponiendo
que es ideal (cero perdidas de potencia) ser:
S = 3 VFRMS IFRMS = 5.73 VFRMS2 / RL ; (Ecuacin 27).
pi/6 5pi/6 13pi/6
RS RT RS
pi/6 5pi/63pi/6
RS RT RSRSI D1
3 VMFRL
t0
pi/6 5pi/6
TRST SR TS
3pi/6
7pi/6 9pi/6 11pi/6
IRRS RTI R3 VMFRL
-3 VMFRL
t
(ECUACION 25)pi/6
pi/2____ (IMD sen (t+30))2 dt;4
2piIFRMS = [ ]
1/2
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42
Es importante analizar ahora las tensiones de polarizacin inversa que soportan
los diodos del rectificador cuando se encuentras apagados (OFF) para
asegurarse de que no entraran en avalancha al exceder el lmite de (VRRM).
La figura 46 muestra la condicin del circuito cuando el diodo D1 se encuentra
abierto debido a que D2 conduce, durante el intervalo 5pi/6 y 9pi/6.
Figura 46. Tensin de polarizacin inversa del diodo D1 cuando D2 conduce.
En este caso la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la
del ctodo es la de la fase S, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y
ctodo es VRS , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico,
que es 3 veces mayor que una tensin de fase, como ya se explic
anteriormente.
La figura 47 muestra la condicin del circuito cuando el diodo D1 se encuentra
abierto debido a que D3 conduce, durante el intervalo 3pi/2 y pi/6. En este caso
la tensin del nodo con respecto tierra es la tensin de fase R y la del ctodo
es la de la fase T, por lo tanto, la diferencia de tensin entre nodo y ctodo es
VRT , que corresponde a una tensin de lnea en un sistema trifsico, que es 3
veces mayor que una tensin de fase.
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Figura 47. Tensin de polarizacin inversa del diodo D1 cuando D3 conduce.
En vista de lo anterior, la mxima tensin de pico inverso es:
VRRM = 3 VMF ; (Ecuacin 28)
La figura 48 muestra los valores del factor de forma (FF) y el rizado de la onda
de voltaje de salida del puente rectificador trifsico.
Figura 48. Factor de Forma y Factor de Rizado
VORMS
VODC VMF
VMF
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44
3. FUNCIONAMIENTO DE LOS TIRISTORES
Un tiristor es uno de los tipos ms importantes de los dispositivos
semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los
circuitos electrnicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables,
pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas
aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o
conmutadores ideales, aunque los tiristores prcticos exhiben ciertas
caractersticas y limitaciones. Se estudia en este capitulo al tiristor mas
empleado en la industria, el SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
3.1 ESTRUCTURA DEL TIRISTOR
El tiristor (SCR) es un dispositivo semiconductor biestable de cuatro capas,
PNPN de tres terminales: nodo (A), ctodo (K) y puerta (G). Puede conmutar
de bloqueo a conduccin, o viceversa, en un solo cuadrante. La figura 49,
muestra la estructura interna en funcin de las uniones PN, su equivalente en
transistores BJT y su smbolo.
Figura 49. Estructura interna y smbolo del tiristor.
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45
3.2 CARACTERISTICA TENSION CORRIENTE
La curva caracterstica del tiristor se muestra en la figura 50 y en ella se pueden
identificar las siguientes zonas de funcionamiento:
Zona de bloqueo inverso (VAK < 0):
El SCR se encuentra bloqueado (circuito abierto) y solo lo recorre una dbil
corriente de fuga inversa (IRRM). No se debe sobrepasar la tensin inversa
mxima (VRRM), ya que entra en avalancha y se destruye trmicamente.
Zona de bloqueo directo (VAK > 0; sin excitar la puerta):
El SCR se encuentra bloqueado. Solo lo recorre una dbil corriente de fuga
directa (IDRM). No se debe sobrepasar la tensin directa mxima (VDRM), pues
entra en conduccin sin accin de control en la puerta.
Figura 50. Curva tensin-corriente del tiristor.
Zona de conduccin (VAK > 0; puerta excitada):
El SCR conduce (cortocircuito). Entre la puerta (G) y el ctodo (K) circula un
impulso positivo de corriente. La duracin del impulso de cebado ser lo
suficiente para que la corriente nodo-ctodo (IT) sea igual a la corriente de
enganche, IL. Mientras el SCR conduce, se comporta como un diodo rectificador.
CORRIENTE DE FUGA DIRECTACORRIENTE DE
FUGA INVERSA
VOLTAJE DE RUPTURA DIRECTO
VOLTAJE DE RUPTURA DIRECTO
DISPARO DE PUERTA
CAIDA DE TENSIN DIRECTA
(CONDUCCION)CORRIENTE DE ENGANCHE
CORRIENTE DE MANTENIMIENTO
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Es importante tener en cuenta que el SCR se bloquea cuando la corriente
directa (IT) es menor que la corriente de mantenimiento (IH), en cuyo caso la
puerta pierde todo poder sobre el SCR.
El tiristor, tiene las siguientes caractersticas generales:
Interruptor casi ideal.
Soporta tensiones altas cuando se encuentra polarizado inversamente.
Es capaz de controlar grandes potencias.
Fcil controlabilidad, por intermedio de la puerta.
Relativa rapidez de conmutacin.
3.3 CAUSAS DE DISPARO DEL TIRISTOR
Para producir el disparo del SCR, la corriente nodo-ctodo, IT, debe ser mayor
que la de enganche, IL. Para mantenerse en la zona de conduccin, por el SCR
debe circular una corriente mayor a la de mantenimiento, IH, por debajo de la
cual el SCR se bloquea. Hay dos tipos de disparo: los no deseados y los
deseados, es decir, los producidos por pulsos de puerta.
3.3.1 DISPAROS NO DESEADOS
Se presentan por exceso en la tensin aplicada entre nodo y ctodo y por
variacin brusca de la misma (dv/dt).
Por exceso de tensin: Si la tensin soportada por la unin de control se
acerca al valor de ruptura directa, la corriente de portadores minoritarios
aumenta considerablemente presentndose la corriente de avalancha. Si
la corriente de fugas se eleva por encima del valor de la corriente de
mantenimiento el SCR es capaz de mantener el estado de conduccin tal
como se ilustra en la figura 51.
Por dVAK/dt: Si se produce un cambio brusco de polarizacin inversa a
directa, no hay tiempo para la organizacin de cargas. La tensin
soportada por la unin de control ser elevada, acelerando de esta
manera los portadores minoritarios. Si esta corriente aumenta por encima
de la corriente de mantenimiento, el SCR se mantiene en conduccin tal
como lo muestra la figura 52.
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Figura 51. Disparo no deseado por exceso de tensin
Figura 52. Disparo no deseado por dv/dt
3.3.2 DISPAROS DESEADOS O POR PULSOS DE PUERTA
Los huecos inyectados por el terminal de puerta, generan la inyeccin de una
nube de electrones libre desde el ctodo. Algunos electrones son captados y
acelerados hacia la unin de bloqueo, generando pares electrn-hueco. Estos
huecos generados se dirigen hacia el ctodo introduciendo as ms electrones.
Si la corriente generada se aumenta por encima de la de enganche, el SCR es
capaz de mantener el estado de conduccin aunque desaparezca el pulso de
puerta, tal como se muestra en la figura 53. La corriente de puerta deber tener
un mnimo valor de amplitud y una mnima duracin para que logre poner en
conduccin al tiristor, cuando este se encuentra polarizado directamente. En la
figuras 54 y 55 se ilustra este principio para cargas resistivas e inductivas
respectivamente.
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Figura 53. Disparo por corriente de puerta
Figura 54. Comportamiento del tiempo de disparo con carga resistiva
El tiempo de retardo a la excitacin, tr, se mide a partir del momento en que la
corriente de puerta, IG, alcanza su mnimo valor hasta que la corriente por el
tiristor, IT, alcanza el 10% de su valor final. El tiempo de subida, ts, se mide a
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partir del momento en que termina tr hasta que IT alcanza el 90% de su valor
final. El tiempo de disparo, td, es la suma de los dos tiempos anteriores. La
duracin del pulso de puerta debe ser mayor a td.
Figura 55. Comportamiento del tiempo de disparo con carga inductiva
El tiempo mnimo del pulso de puerta en este caso debe ser mayor al tiempo que
la corriente del tiristor se tarda en alcanzar el valor de la corriente de
enclavamiento o enganche. Obsrvese que en este caso, este tiempo
depender de la constante de tiempo RL.
3.4 CIRCUITOS DE DISPARO
Los circuitos de disparo, son los encargados de generar los pulsos de puerta
positivos, cuando el SCR se encuentra polarizado directamente, para lograr el
enganche del tiristor. Pueden ser circuitos de electrnica cableada o
microcontrolada. De acuerdo a la manera como se acopla el circuito de disparo
con la puerta se clasifican en:
Acoplamiento directo
Acoplamiento magntico
Acoplamiento ptico
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3.4.1 ACOPLAMIENTO DIRECTO
La figura 56, muestra un circuito de disparo acoplado directamente a la puerta
del SCR. Cuando el circuito de control no esta generando un pulso, el transistor
BJT NPN se encuentra en corte y lo mismo el PNP. En este caso, no hay tensin
en el divisor de tensin conectado a la puerta y por lo tanto no hay disparo.
Cuando se genera el pulso, el transistor NPN entra en saturacin, colocando la
base del transistor PNP a tierra y entrando tambin en saturacin, quedando el
divisor de tensin conectado a la fuente de alimentacin Vcc y por lo tanto la
puerta recibe un pulso de voltaje que generar la corriente de puerta.
Figura 56. Acoplamiento directo entre el circuito de disparo y la puerta
3.4.2 ACOPLAMIENTO MAGNETICO
La figura 57, muestra el acoplamiento magntico entre el circuito de disparo y la
puerta. En este caso la tierra del SCR y la del circuito de control son
independientes. Esto es importante para aislar elctricamente el circuito de
disparo del SCR y evitar que pueda llegar a daarse por fallas internas del
tiristor. El diodo en antiparalelo con el primario el transformador se emplea para
desmagnetizar el ncleo, cuando no hay pulso a la salida del circuito de control y
el transistor NPN pasara de saturacin a corte.
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Figura 57. Acoplamiento magntico entre el circuito de disparo y la puerta
3.4.3 ACOPLAMIENTO OPTICO
La figura 58, muestra el acoplamiento ptico entre el circuito de disparo y la
puerta. Su finalidad es la misma que la del acoplamiento magntico.
Figura 58. Acoplamiento ptico entre el circuito de disparo y la puerta
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3.5 CIRCUITOS DE APAGADO
El SCR en circuitos DC, una vez que entra en conduccin queda enganchado
indefinidamente, hasta que por medios externos se abra el circuito de potencia
para que la corriente del tiristor se haga cero (IT), o se le aplique una tensin
inversa al nodo-ctodo para obligarlo forzosamente a apagarse.
3.5.1 APAGADO POR CONTACTO MECANICO
Extincin del SCR interrumpiendo el circuito mediante un cortocircuito, tal como
se observa en la figura 59 (a, b), o introduciendo una corriente inversa usando
una fuente auxiliar, como lo muestra la figura59 (c) o un condensador cargado,
como lo presenta la figura 59 (d, e).
Figura 59. Apagado por contacto mecnico
3.5.2 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA
Se obliga a la corriente a pasar a travs del tiristor en sentido inverso,
consiguiendo un tiempo de apagado menor.
Existen dos tipos de conmutacin forzada:
Por autoconmutacin
Por medios exteriores
3.5.2.1 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA POR
AUTOCONMUTACION
Circuitos que apagan al SCR automticamente tras un tiempo predeterminado
desde la aplicacin del impulso de disparo. Los ms usados son:
Circuito oscilante LC en paralelo: Con el condensador cargado se produce el
disparo del SCR. Cuando el condensador se descarga sobre el SCR en
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sentido directo, por oscilacin del circuito LC, el condensador se carga en
sentido opuesto hasta que IR (de carga) es menor que IT, entonces se
produce el apagado, tal como lo muestra la figura 60.
Figura 60. Apagado forzado por circuito LC paralelo
Circuito oscilante LC en serie: La corriente que circula al disparar el SCR
excita al circuito LC. Una vez terminado el primer semiciclo de la oscilacin,
la corriente se invierte y se apaga el SCR, tal como lo ilustra la figura 61.
Figura 61. Apagado forzado por circuito LC serie
3.5.2.2 APAGADO POR CONMUTACION FORZADA POR MEDIOS
EXTERIORES
Circuitos que apagan al SCR sin depender del tiempo en que se produjo el
disparo. Los ms usados son:
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Conmutacin por medio de Corriente Alterna: el SCR se apaga cada vez que
cambia el sentido de la tensin al semiciclo negativo, tal como se puede
apreciar en la figura 62.
Figura 62. Apagado por medio de AC
Conmutacin por tiristor auxiliar: si el tiristor uno (T1) conduce y el dos est
en corte (T2), entonces el condensador se carga por T1; cuando T2 conmuta
a conduccin, el tiristor T1 se bloquea y el condensador se carga por RL en
sentido inverso. Pasado un tiempo tq (>0.7 RL C), que depende de C y debe
ser mayor que el toff del SCR, la tensin en T1 (VT1) tiende a hacerse
positiva, como se presenta en la figura 63.
Figura 63. Apagado por tiristor auxiliar
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3.6 CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS TIRISTORES
Los fabricantes de tiristores presentan en las hojas tcnicas de estos los
siguientes tipos de caractersticas:
Estticas
De control
Dinmicas
De conmutacin
3.6.1 CARACTERISTICAS ESTATICAS
Corresponden a la regin nodo-ctodo. Son aquellos valores que determinan
las posibilidades mximas de un determinado SCR. Estos datos son:
Tensin inversa de pico de trabajo............................................. VRWM
Tensin directa de pico repetitiva............................................... VDRM
Tensin directa............................................................................ VT
Corriente directa media............................................................... ITAV
Corriente directa eficaz............................................................... ITRMS
Corriente directa de fugas........................................................... IDRM
Corriente inversa de fugas.......................................................... IRRM
Corriente de mantenimiento........................................................ IH
Las caractersticas trmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:
Temperatura de la unin............................................................. Tj
Temperatura de almacenamiento................................................ Tstg
Resistencia trmica contenedor-disipador.................................. Rc-d
Resistencia trmica unin-contenedor........................................ Rj-c
Resistencia trmica unin-ambiente............................................ Rj-a
Impedancia trmica unin-contenedor......................................... Rj-c
3.6.2 CARACTERISTICAS DE CONTROL
Corresponden a la regin puerta-ctodo y determinan las propiedades del
circuito de control que responde mejor a las condiciones de disparo. Los
fabricantes definen las siguientes caractersticas:
Tensin directa mx. ................................................................... VGFM
Tensin inversa mx. ................................................................... VGRM
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Corriente mxima.......................................................................... IGM
Potencia mxima......................................................................... PGM
Potencia media............................................................................ PGAV
Tensin puerta-ctodo para el encendido................................... VGT
Tensin residual mxima que no enciende ningn elemento..... VGNT
Corriente de puerta para el encendido........................................ IGT
Corriente residual mxima que no enciende ningn elemento ... IGNT
3.6.3 CARACTERISTICAS DINAMICAS
3.6.3.1 TENSIONES TRANSITORIAS
Valores de la tensin superpuestos a la seal de la fuente de alimentacin.
Son breves y de gran amplitud.
La tensin inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos
valores.
3.6.3.2 IMPULSOS DE CORRIENTE
Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los
cuales puede tolerarse una corriente de pico dada.
A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
El tiempo mximo de cada impulso est limitado por la temperatura media de
la unin.
La figura 64, muestra lo explicado anteriormente.
Figura 64. Curva de limitacin de impulsos de corriente
3.6.3.3 NGULOS DE CONDUCCIN
La corriente y tensin media de un SCR dependen del ngulo de conduccin.
A mayor ngulo de conduccin, se obtiene a la salida mayor potencia.
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Un mayor ngulo de bloqueo o disparo significa un menor ngulo de
conduccin:
ngulo de conduccin = 180 - Angulo de disparo
Conociendo la variacin de la potencia disipada en funcin de los diferentes
ngulos de conduccin se pueden calcular las protecciones necesarias.
La figura 65 muestra los conceptos de ngulo de disparo o bloqueo y ngulo de
conduccin.
Figura 65. ngulos de bloqueo y conduccin
3.6.4 CARACTERISTICAS DE CONMUTACION
Los tiristores no son interruptores perfectos, ya que necesitan un tiempo para
pasar de corte a conduccin y viceversa.
3.6.4.1 TIEMPO DE ENCENDIDO (TON)
Tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conduccin (Figura 66).
Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de
puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de nodo alcanza
el 10 % de su valor mximo.
Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de nodo pase
del 10 % al 90 % de su valor mximo, o, el paso de la cada de tensin en el
tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.
TON = td + tr
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Figura 66. Tiempo de encendido (TON)
3.6.4.2 TIEMPO DE APAGADO (TOFF)
Tiempo que tarda el tiristor en pasar de conduccin a corte (Figura 67).
Tiempo de recuperacin inversa (trr): tiempo en el que las cargas
acumuladas en la conduccin del SCR, por polarizacin inversa de este, se
eliminan parcialmente.
Tiempo de recuperacin de puerta (tgr): tiempo en el que, en un nmero
suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusin,
permitiendo que la puerta recupere su capacidad de control.
TOFF = trr + tgr
Figura 67. Tiempo de apagado (TOFF)
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3.7 LIMITACIONES DEL TIRISTOR
3.7.1 LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO
La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.
El lmite es atribuible a la duracin del proceso de apertura y cierre del
dispositivo.
La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.
3.7.2 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIN dv/dt
dv/dt es el valor mnimo de la pendiente de tensin por debajo del cual no se
producen picos transitorios de tensin de corta duracin, gran amplitud y
elevada velocidad de crecimiento.
A) CAUSAS
La alimentacin principal produce transitorios difciles de prever en aparicin,
duracin (inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.
Los contactores entre la alimentacin de tensin y el equipo: cuya apertura y
cierre pueden producir transitorios de elevada relacin dv/dt (hasta 1.000 V/s)
produciendo el basculamiento del dispositivo.
La conmutacin de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de
tensin.
B) EFECTOS
Puede provocar el encendido del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.
La dv/dt admisible vara con la temperatura.
3.7.3 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD di/dt
di/dt es el valor mnimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no
se producen puntos calientes.
A) CAUSAS
Durante el cebado, la zona de conduccin se reduce a una parte del ctodo
cerca de la puerta, si el circuito exterior impone un crecimiento rpido de la
intensidad, en esta zona la densidad de corriente puede alcanzar un gran valor.
Como el cristal no es homogneo, existen zonas donde la densidad de
Intensidad es mayor (puntos calientes).
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B) EFECTOS
En la conmutacin de bloqueo a conduccin la potencia instantnea puede
alcanzar valores muy altos.
La energa disipada producir un calentamiento que, de alcanzar el lmite
trmico crtico, podra destruir el dispositivo.
3.8 ESPECIFICACIONES TECNICAS DE TIRISTORES
A continuacin se presentan hojas tecnicas para seleccin de SCR y TRIAC
tomadas de http://onsemi.com
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4. CIRCUITOS CONVERTIDORES AC-DC CON TIRISTORES DE POTENCIA
En el capitulo dos se estudiaron los circuitos rectificadores con diodos. Tienen el
inconveniente de que el voltaje DC que entregan es fijo. Para obtener voltajes
DC variables, a partir de alimentaciones AC, se reemplazan los diodos por los
tiristores SCR, controlndose el ngulo de disparo. Esta solucin tiene
aplicaciones industriales, en procesos electroqumicos, control de iluminacin de
bombillas y control de velocidad de motores DC. A estos circuitos rectificadores
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con SCR se les denomina tambin convertidores AC-DC. Se clasifican en
convertidores monofsicos y trifsicos.
4.1 CONVERTIDOR MONOFSICO AC-DC DE MEDIA ONDA
Consiste en el circuito de un rectificador monofsico de media onda, en donde el
diodo rectificador se ha reemplazado por un tiristor. La figura 68, muestra el
circuito, el primer cuadrante, es decir voltaje DC y corriente DC en la carga
positivos y las formas de onda respectivas.
Obsrvese cmo durante el semiciclo positivo de Vs, el tiristor se encuentra
polarizado directamente, pero no conduce hasta que al terminal de puerta se le
aplique un pulso o disparo de tensin en t = . A partir de ese momento, la
tensin Vs queda aplicada a la carga R el resto del semiciclo positivo hasta que
t = pi. A partir de ese momento se inicia el semiciclo negativo, quedando el
tiristor polarizado inversamente, apagndose o dejando de conducir de forma
natural, ya que adems la corriente del mismo, io, ha llegado a cero y ha
quedado por debajo de la corriente de mantenimiento. El SCR queda apagado
desde t = pi hasta t = 2pi.
Figura 68. Convertidor monofsico AC-DC media onda, carga resistiva
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El valor promedio o DC sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de
Vo, de la siguiente manera:
La ecuacin 29, muestra como VDC, depende del ngulo de disparo . Cuando
=0, VDC, es mximo y equivale a Vm/pi, el mismo valor del rectificador de media
onda con diodo. Cuando =pi, VDC, es mnimo y equivale a cero.
El valor eficaz o RMS sobre la carga, se calcula a partir de la forma de onda de
Vo, de la siguiente manera:
La ecuacin 30, muestra como VRMS, depende del ngulo de disparo . Cuando
=0, VRMS, es mximo y equivale a Vm/2, el mismo valor del rectificador de
media onda con diodo. Cuando =pi, VDC, es mnimo y equivale a cero.
Los parmetros de seleccin del tiristor empleado como rectificador (no como
switch) son los sigui