AVANSYSELECTRNICA INDUSTRIALGUA N 03DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE
POTENCIA: PARTE I
Existen numerosas operaciones industriales que requieren la
entrega de una cantidad variable y controlada de energa elctrica
cuatro de las ms comunes de estas operaciones son:
1. Alumbrado.2. Control de Velocidad de Motores.3. Soldadura
Elctrica.4. Calentamiento Elctrico.
Estas pueden lograrse usando transformadores variables y
restatos para controlar la cantidad de corriente entregada a la
carga, sin embargo estos elementos presentan ciertos inconvenientes
que los hacen muy difcil de usar para ciertas aplicaciones. Por
ejemplo:1. Son voluminosos y caros.2. Requieren Mantenimiento.3.
Desperdician Grandes Cantidades de Energa.
Para eliminar estas fallas han surgido dispositivos electrnicos
modernos para el control de energa suministrada entre ellos estn
los diodos y transistores de potencia (BJT y MOSFET) y los llamados
tiristores, de estos ltimos, podemos mencionar los siguientes: SCR.
TRIACS DIACS
Entre las principales ventajas de estos dispositivos se
encuentran:1. Pequeos y Relativamente Baratos.2. No Requieren de
Mantenimiento.3. No Desperdician Energa.
Algunos de estos dispositivos como el SCR y el TRIACS pueden
manejar cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes
mayores de los 1000 V, los que los hace muy importantes en el
control industrial moderno.Otros tipos de dispositivos para el
control de la potencia entregada a la carga los conforman los
dispositivos opto electrnicos de los cuales se hablara en su
momento.1. Diodos y transistores de potencia1.1 El diodo de
potencia Uno de los dispositivos ms importantes de los circuitos de
potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, la siguiente
limitacin: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular
la corriente en sentido contrario al de conduccin. El nico
procedimiento de control es invertir el voltaje entre nodo y
ctodo.
Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de
alta velocidad (o de recuperacin rpida) y Schottky. Los diodos de
uso general estn disponibles hasta 6000 V, 4500 A, con un tiempo de
recuperacin inversa de 25 s y la especificacin de los diodos de
recuperacin rpida puede llegar hasta 6000 V, 1100 A. El tiempo de
recuperacin inversa vara entre 0.1 y 5 s. Los diodos de recuperacin
rpida son esenciales para la interrupcin de los convertidores de
potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un
ctodo y un nodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de
estado activo y un tiempo de recuperacin muy pequeo, tpicamente en
nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus
especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando
el voltaje de su nodo es ms alto que el de su ctodo; siendo la cada
de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, tpicamente 0.5
y 1.2 V. Si el voltaje de ctodo es ms alto que el voltaje de nodo,
se dice que el diodo est en modo de bloqueo. Como cualquier
dispositivo semiconductor de unin PN, el diodo de potencia tiene
dos terminales: A y K. Cuando el diodo se encuentra en polarizacin
directa el voltaje atravs de el es relativamente pequea; la
magnitud de esta cada de tensin depende del proceso de manufactura
y de la temperatura de la unin. Bajo condiciones de polarizacin
inversa fluye una pequea corriente de fuga o de prdida en el orden
de micro o de miliamperios.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de
conduccin, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con
una pequea cada de tensin. En sentido inverso, deben ser capaces de
soportar una fuerte tensin negativa de nodo con una pequea
intensidad. Segn grafica 1Curva Caracterstica de un diodo
Grafica 1Donde: VRRM: tensin inversa mxima VD: tensin de codo.
Tipos de diodos de potencia DIODOS RECTIFICADORES PARA BAJA
FRECUENCIAAplicaciones: - Rectificadores de red Baja frecuencia 50
hz
DIODOS RAPIDOS (FAST) Y ULTRARAPIDOS (ULTRAFAST)Aplicaciones: -
Conmutacion a alta frecuencia (> a 20 Khz) Inversores UPS
Accionamiento de motores CA
DIODOS SCHOTKKY Aplicaciones: - Fuentes conmutadas. -
Convertidores. - Diodos de libre circulacin. - Cargadores de
bateras. DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA
TENSIN):Aplicaciones: - Aplicaciones de alta tensin.
DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES (ALTA
CORRIENTE):Aplicaciones: - Aplicaciones de alta corriente.
Figura 1 AplicacionesDiodos rectificadores empleados como
convertidores AC-DCUn circuito rectificador por diodos (Figura 2)
convierte voltaje de CA en un voltaje fijo de CD. El voltaje de
entrada al rectificador puede ser monofsico o trifsico. El flujo de
energa nicamente es hacia la derecha.
Convertidor rectificador monofsico
Figura 21.2 El transistor de potenciaSe le llama transistor de
potencia al transistor que tiene una intensidad grande lo que
corresponde a una potencia mayor de 0,5 W.El funcionamiento y
utilizacin de los transistores de potencia es idntico al de los
transistores normales, teniendo como caractersticas especiales las
altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por
tanto, las altas potencias a disipar. Tipos de transistores de
potenciaEntre los ms comunes podemos mencionar: Transistores
bipolares. Transistores unipolares o FET (Transistor de Efecto de
Campo). La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor
unipolar o FET es el modo de actuacin sobre el terminal de control.
En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base
para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el
control se hace mediante la aplicacin de una tensin entre puerta y
fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna
de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una
caracterstica comn, sin embargo, el hecho de que la potencia que
consume el terminal de control (base o puerta) es siempre ms pequea
que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen,
destacamos tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB
controla la magnitud de IC. En un FET, la tensin VGS controla la
corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequea puede
controlarse otra bastante mayor.
Transistores BJT
Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de
potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada
se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unin (TJ).
Dicha temperatura no debe superar un mximo especificado que para el
silicio es de 150C a 200C.
El fabricante de un transistor de potencia suele especificar, la
mxima disipacin de potencia a una temperatura ambiente TA (que por
lo general es de 25C) e intenta disminuir la potencia disipada
mediante el diseo del encapsulado. Ejemplo:
Encapsulado tipo TO3
Figura 3Tambin se puede reducir considerablemente el calor
generado al aire libre mediante el uso de disipadores de calor
(superficies metlicas extendidas) y aletas (Figura 3).Modos de
trabajoExisten cuatro condiciones de polarizacin posibles.
Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin en
cada una de las uniones del transistor pueden ser : Grafico 2
Grafico 2 Modos de trabajoRegin activa directa: Corresponde a
una polarizacin directa de la unin emisor - base y a una
polarizacin inversa de la unin colector - base. Esta es la regin de
operacin normal del transistor para amplificacin. Regin activa
inversa: Corresponde a una polarizacin inversa de la unin emisor -
base y a una polarizacin directa de la unin colector - base. Esta
regin es usada raramente. Regin de corte: Corresponde a una
polarizacin inversa de ambas uniones. La operacin en sta regin
corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues
el transistor acta como un interruptor abierto (IC 0). Regin de
saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de ambas uniones.
La operacin en esta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin
en el modo encendido, pues el transistor acta como un interruptor
cerrado (VCE 0).Un transistor funciona como un interruptor si se
hace pasar rpidamente de corte a saturacin y viceversa. En corte es
un interruptor abierto y en saturacin es un interruptor cerrado.
Grafico 3 A algunos ejemplos son:
Grafico 3 Funcionamiento de un transistorLa principal aplicacin
de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados
lgicos, all se mantienen trabajando los transistores entre corte o
en saturacin, en otro campo por ejemplo en la industria se aplican
para activar y desactivar rels, en este caso como la carga es
inductiva (bobina del rel) al pasar el transistor de saturacin a
corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema
el transistor se debe hacer una proteccin con un diodo en una
aplicacin llamada diodo volante o Damper.
2. Transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)
2.1 Teora y operacin del MOSFET
Se puede encontrar MOSFET de baja potencia en algunos circuitos
discretos pero su uso principal es en circuitos integrados, para
aplicaciones de alta potencia esto se encuentran ampliamente
utilizados en aplicaciones que controlan motores, lmparas,
disqueteras, impresoras, fuentes de alimentacin, etc. En estas
aplicaciones, el MOSFET se denomina FET de Potencia. 2.2 Tipos de
MOSFET
Existen bsicamente dos tipos de dispositivos MOSFET:1. Canal n2.
Canal p
El smbolo grafico para estos MOSFET se muestra a continuacin
(Figura 4), con el nombre de cada una de sus terminales.
Figura 42.3 Caractersticas Elctricas y Fsicas
Cuando la tensin de puerta es nula, la corriente entre el
drenador y la fuente es nula, por esta razn el MOSFET est en
normalmente en corte cuando el VGS = 0V. La nica forma de obtener
corriente es mediante una tensin de puerta simbolizada en la mayora
de los casos como VGS(on), cuando VGS es menor que VGS(on) la
corriente de compuerta es nula. Pero cuando VGS es mayor que
VGS(on) se conecta la fuente al drenador y la corriente de drenador
es grande.Los MOSFET tienen un aislante que impide la corriente de
puerta para tensiones tanto positivas como negativas. Esta capa
debe ser capas de proporcionar ms control sobre la corriente de
drenaje pero puede destruirse si se aplica una tensin puerta fuente
excesivaPor ejemplo:Un 2n7000 tiene una VGS(max) de +/- 20V. Si la
tensin puerta fuente es ms positiva que 20V o ms negativa que -20V,
esta capa se destruir.Aparte de la aplicacin excesiva de este
voltaje, esta capa se puede destruir si se retira o se inserta un
MOSFET en un circuito mientras la alimentacin esta conectada.De
cualquiera de estas dos maneras se destruir el MOSFET.
2.4 El transistor MOSFET como interruptor
Una caracterstica importante de los MOSFET es que pueden
desconectar una corriente ms rpidamente esto es entre 10 a 100
veces ms rpido que un BJT.Los circuitos integrados digitales son
dispositivos de baja potencia porque pueden proporcionar solo
pequeas corrientes de carga. Si se desea usar la salida de un CI
para excitar una carga que necesita una gran corriente, se puede
emplear un FET de potencia como interfase (Figura 5a), ejemplo:
Figura 5.a
Cuando la salida digital es alta, el FET de potencia acta como
un interruptor cerrado, en el caso del motor este tiene una tensin
de 12V a travs de el, lo cual lo hace girar, cuando la salida
digital es baja el FET est abierto y el motor para de girar (Figura
5b).
Figura 5.b2.5 Comprobacin del MOSFET canal N y canal PIgual que
el transistor podemos numerar las patillas: poniendo al MOSFET en
una posicin determinada Grafico 4:
Grafico 4 Representacin de un MOSFETSin embargo no hay que
tratar de comparar las terminales del MOSFET con la de un
transistor ya que ellas cumplen con diferentes funciones y lo mejor
para ver los nombres de las terminales es un libro de reemplazo
para estar seguro.Una vez encontrada esta informacin las mediciones
se pueden hacer siguiendo estos pasos:
MOSFET de canal N1. Cortocircuite por medio de una de las puntas
del multmetro todas las terminales, esto se hace para eliminar
cualquier rastro de medicin echa anteriormente.2. Coloque el borne
negativo del multmetro en la terminal de fuente, y con el borne
positivo del multmetro tocar la terminal de compuerta. Sin quitar
el borne negativo de la terminal de fuente3. Coloque (despus de
haber realizado el paso 2) el borne positivo del multmetro en la
terminal de drenaje. Una vez realizado este paso se observara en el
multmetro una medicin de baja resistencia entre la terminal de
drenaje y la terminal de fuente.4. Sin quitar el borne positivo del
multmetro de la terminal de drenaje y el borne negativo de la
terminal de fuente, toque la terminal de compuerta con la yema del
dedo. Una vez realizado este paso se observara en el multmetro que
la resistencia baja cambia a un estado demasiado alto como para
representar una medicin es decir que el MOSFET tiene resistencia
alta entre la terminal de drenaje y la terminal de fuenteSi estas
mediciones son correctas de acuerdo a los pasos seguidos
anteriormente estaremos en presencia de un MOSFET en buen estado.
Las mediciones para un MOSFET de canal p son similares solo que se
intercambian los papeles de la polarizaciones aplicadas con el
multmetroSi no sucede as puede darse el caso que el MOSFET no haga
la conmutacin del cambio de estado o este en cortocircuito en todas
sus terminales por lo cual estaremos en presencia de un MOSFET
daado y habr que sustituirlo por otro de igual caractersticas.
ELECTRNICA DE POTENCIA15