UNIDAD 5. CONVERTIDORES ESTATICOS

Los convertidores estaticos son equipos electronicos que transforman la energia electrica de un tipo a otro. Forman parte de equipos de modernos aparatos electronicos de potencia como equipos de propulsion y de control industrial. Los tipos de convertidores que hay son:

5.1 Convertidores CD - CD (Troceadores)

Un troceador o pulsador de CD convierte una fuente de CD de voltaje fija en una fuente de CD de voltaje variable. Toman potencia de una fuente de CD obtenida de rectificacion de potencia o bien de un banco de baterias para alimentar cargas de CD de potencia.

Los troceadores o pulsadores de CD asi como los inversores utilizan semiconductores de potencia como imterruptores estaticos de electricidad. Estos son:

BJT de Potencia (Arreglos Darlington)

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones:

Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho mayor.

Un transistor bipolar de juntura consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda. El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en el Bell Telephone Laboratories por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley. La versión de juntura, inventada por Shockley en 1948, fue durante tres décadas el dispositivo favorito en diseño de circuitos discretos e integrados. Hoy en día, el uso de BJT ha declinado en favor de la tecnología CMOS para el diseño de circuitos digitales integrados.

Aplicaciones practicas del BJT:

BJT

MOSFET (Arreglos de varios MOSFET en paralelo)

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada

Es un tipo especial de transistor FET que tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P.

Una delgada capa de material aislante formada de dióxido de silicio (SiO2) (también llamada "sílice" o "sílica") es colocada del lado del semiconductor y una capa de metal es colocada del lado de la compuerta (GATE) (ver la figura)

En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)

En los transistores bipolares la corriente que circula por el colector es controlada por la corriente que circula por la base. Sin embargo en el caso de los transistores FET, la corriente de salida es controlada por una tensión de entrada (un campo eléctrico). En este caso no existe corriente de entrada.

Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad y hay que manipularlos con cuidado. Debido a que la capa de óxido es muy delgada, se puede destruir con facilidad si hay alta tensión o hay electricidad estática.

Aplicaciones practicas del MOSFET:

MOSFET

IGBT (Hibrido del BJT y el MOSFET de potencia)

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada e control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos hasta entonces no viables en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domotica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

Ejemplos:

Aplicaciones practicas del IGBT:

IGBT

Los troceadores pertenecen al grupo de los pulsadores de CD. Cuando se cierra el interruptor SW durante un tiempo T1, el voltaje de entrada Vs aparece a traves de la carga. Si el interruptor se mantiene abierto durante un tiempo T2, el voltaje a traves de la carga es cero. Un interruptor pulsador puede ser un BJT, un MOSFET, un IGBT, o algun otro interruptor estatico.

5.2 Convertidores CD - CA (Inversores)

La función de un inversor o convertidor de corriente directa a corriente alterna, es precisamente esa, convertir la corriente directa de una batería (acumulador) en corriente alterna.
Este circuito de tres secciones: El oscilador, el distribuidor y la salida de potencia.
El oscilador está conformado principlamente por el IC1, la frecuencia de oscilación está determinada por R1, R2 y C2...

Los inversores se fabrican sin transformador y con transformador. Sin el tranformador el voltaje pico de salida es igual al de la fuente de CD. Con transformador el voltaje pico de salida depende de la relacion de transformacion del mismo. El nucleo de ferrita de los transformadores permite su aplicacion en altas frecuencias (del orden de 40 KHz) en las fuentes conmutadas. Mientras con nucleo de laminacion de acero operan a bajas frecuencias (60 Hz).

Ejemplos:

INVERSORES MONOFASICOS : En puente esta formado por 4 pulsadores. Cuando los transistores Q1y Q2 se activan simultanemente, el voltaje Vs aparece a traves de la carga. Si se activan al mismo tiempo, el voltaje a traves de la carga se invierte.

FUENTES CONMUTADAS: Las fuentes de poder de CD en modo de conmutacion utilizan inversores monofasicos con transformador y rectificacion a la salida. Hay configuraciones comunes que son: flyback, push pull o en contrafase, medio puente y puente completo.

INVERSORES TRIFASICOS: Se utilizan en aplicaciones de alta potencia para alimentar motores trifasicos de induccion.

5.3 Convertidores CA- CD (Rectificacion)

Los rectificadores convierten voltajes y corrientes de CA a CD de magnitud fija o ajustable. Los rectificadores trifiasicos tienen mayor aplicacion que los monofasicos por su mayor manejo de potencia y porque presentan menor rizo u ondulacion de voltaje o de corriente de salida.

Se utilizan en aplicaciones industriales en propulsores de velocidad variable, y como fuentes de CD de potencia para inversores.

Los tipos de rectificacion que usa este convertidor son:

5.4 Fuentes de Alimentacion

Una fuente de alimentación es un dispositivo o subsistema que convierte la corriente alterna de la red de distribución de la energía eléctrica en otro tipo de corriente eléctrica adecuado para el uso que se le vaya a dar. Se dividen en dos categorias:

Fuentes Lineales

Una fuente lineal es aquella que trabaja en regimen lineal. Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida. En primer lugar el transformador adapta los niveles de tensión y proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la corriente alterna en continua se llama rectificador, después suelen llevar un circuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. La regulación se consigue con un componente disipativo regulable. La salida puede ser simplemente un condensador.

Fuentes Conmutadas

Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que transforma energía eléctrica mediante transistores en conmutación . Mientras que un regulador de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos activamente a altas frecuencias (100-500 Kilociclos típicamente) entre corte (abiertos) y saturación (Cerrados).

Las fuentes conmutadas pueden ser clasificadas en cuatro tipos:

alimentación de CA, salida CC: rectificador, conmutador, transformador, rectificador de salida, filtro
(Ej: fuente de alimentación de ordenador de mesa)
alimentación de CA, salida CA: conversor de frecuencia, conversor de voltaje.
(Ej, variador de motor)
alimentación de CC, salida CA: Inversor
(Ej: generar 220v/50ciclos a partir de una batería de 12v)
alimentación de CC, salida CC: conversor de voltaje o de corriente.
(Ej: cargador de baterías de celulares para auto)

Material auxiliar para los convertidores estaticos:

Transistor BD135

Transistor TIP122

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