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Tipo: Apuntes
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1.1. Antecedentes de la Electrónica de Potencia. 1.1.1. Terminología y principios de operación de la familia de los Tiristores (SCR, UJT, PUT, GTO,IGBT´s, etc.). 1.1.2. Clasificación y características. Voltaje-Corriente de los tiristores, (dispositivos, símbolo, características eléctricas y su clasificación en unidireccionales y bidireccionales). 1.2. Circuitos de Disparo 1.2.1. Circuitos de disparo sin aislamiento. 1.2.1.1. Redes Pasivas (Resistivas y RC) 1.2.2. Circuitos de disparo con aislamiento. 1.2.2.1. Acoplados ópticamente. 1.2.2.2. Acoplados magnéticamente. 1.2.3. Circuitos de disparo con dispositivos digitales. 1.2.3.1. Timer. 1.2.3.2. Divisores de frecuencia. 1.2.3.3. Detectores de cruce por cero. 1.2.3.4. Micro-controladores. 1.2.3.5. Moduladores de ancho del pulso. 1.2.3.6. Módulos de Potencia, características y aplicación. 1.1. Antecedentes de la Electrónica de Potencia. La electrónica de potencia se basa, en primer termino en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades de manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores-microcomputadores tiene un gran impacto sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza semiconductores de potencia, que pueden compararse con el músculo y microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro.
en la aplicación de una señal de control en su compuerta (gate). Cuando se aplica una señal de control positiva en la compuerta del SCR, se activa su conducción, permitiendo que la corriente fluya a través de él. Una vez que se retira la señal de control, el SCR sigue conduciendo hasta que la corriente que fluye a través de él cae por debajo de su corriente de mantenimiento.
1.1.2. Clasificación y características. Voltaje-Corriente de los tiristores, (dispositivos, símbolo, características eléctricas y su clasificación en unidireccionales y bidireccionales). Los tiristores son dispositivos semiconductores de potencia que permiten el control de corriente eléctrica mediante la aplicación de un pulso de disparo. Estos dispositivos tienen la capacidad de mantenerse en estado de conducción una vez que se han activado, hasta que la corriente que los atraviesa se reduce por debajo de cierto valor límite. Los tiristores se clasifican en unidireccionales y bidireccionales, según su capacidad para conducir corriente en una o en ambas direcciones de polarización. Los tiristores unidireccionales son aquellos que sólo conducen corriente en una dirección, y se utilizan principalmente en circuitos de rectificación y control de potencia. Entre los tiristores unidireccionales se incluyen los siguientes dispositivos:
conducción, la corriente que fluye a través del tiristor aumenta linealmente con el voltaje aplicado, hasta alcanzar un valor límite determinado por la capacidad de conducción del dispositivo. En resumen, los tiristores son dispositivos semiconductores de potencia que permiten el control de corriente eléctrica mediante la aplicación de un pulso de disparo. Se clasifican en unidireccionales y bidireccionales según su capacidad para conducir corriente en una o en ambas direcciones de polarización. Sus características eléctricas y curva de voltaje-corriente varían según el tipo de tiristor y su aplicación específica. 1.2. Circuitos de Disparo Los circuitos de disparo son circuitos electrónicos que se utilizan para controlar la activación de dispositivos eléctricos, como relés, tiristores, triacs, entre otros. Estos circuitos se utilizan en aplicaciones que requieren un control preciso del tiempo de activación y desactivación de los dispositivos. Entre los circuitos de disparo más comunes se encuentran los siguientes:
aplicaciones de control de potencia, tales como en la regulación de velocidad de un motor eléctrico. Los circuitos de disparo sin aislamiento funcionan mediante el uso de señales de control para activar un dispositivo de potencia, como un transistor o un triac. Cuando se aplica una señal de control, el dispositivo de potencia se activa y permite que la energía fluya a través del circuito. Una vez que se detiene la señal de control, el dispositivo de potencia se desactiva y la energía deja de fluir. La principal característica de los circuitos de disparo sin aislamiento es que no hay ningún tipo de barrera aislante entre el circuito de control y el dispositivo de potencia. Esto significa que la señal de control está conectada directamente al dispositivo de potencia, lo que permite un control rápido y preciso de la energía en el circuito. Sin embargo, esta falta de aislamiento también puede representar un riesgo de seguridad, ya que la energía puede fluir inesperadamente si el circuito de control falla o si hay una sobrecarga en el circuito. Por esta razón, es importante que los circuitos de disparo sin aislamiento se diseñen cuidadosamente y se utilicen solo en aplicaciones apropiadas y bajo supervisión adecuada. 1.2.1.1. Redes Pasivas (Resistivas y RC) Las redes pasivas son circuitos eléctricos que no requieren de una fuente de energía activa, como una batería o un generador, para funcionar. En cambio, estos circuitos dependen de componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores para controlar la corriente eléctrica y el voltaje que fluyen a través de ellos. Una red resistiva es un circuito que consta de solo resistencias. La resistencia es un componente que se opone al flujo de corriente eléctrica en un circuito. Al conectar resistencias en serie, la corriente eléctrica fluye a través de ellas y se reduce a medida que pasa por cada una. Por otro lado, al conectar resistencias en paralelo, la corriente eléctrica se divide entre ellas y se mantiene constante en todo el circuito. Por su parte, una red RC es un circuito que consta de una resistencia y un capacitor. El capacitor es un componente que puede almacenar carga eléctrica y liberarla de manera controlada. Cuando se aplica una fuente de voltaje a una red RC, la carga se acumula en el capacitor, lo que causa una corriente de carga a través de la resistencia. A medida que el capacitor se carga, el voltaje a través de la resistencia disminuye hasta que se alcanza un equilibrio. Después de alcanzar este equilibrio, la carga se libera del capacitor a través de la resistencia y el voltaje aumenta de nuevo. En resumen, las redes pasivas, ya sean resistivas o RC, son circuitos que controlan el flujo de corriente eléctrica y voltaje a través de componentes pasivos como resistencias y capacitores. Estos circuitos no requieren de una fuente de energía activa y pueden utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones en la electrónica y en la ingeniería eléctrica. 1.2.2. Circuitos de disparo con aislamiento.
1.2.2.2. Acoplados magnéticamente. En la electrónica industrial, el acoplamiento magnético se refiere al uso de un campo magnético para transmitir señales eléctricas entre dos circuitos sin la necesidad de una conexión eléctrica directa. El acoplamiento magnético se basa en el principio de la inducción electromagnética, donde un campo magnético variable en un circuito induce una corriente eléctrica en otro circuito cercano. Para lograr esto, se utilizan componentes magnéticos como transformadores, bobinas y núcleos magnéticos. En un sistema de acoplamiento magnético, una bobina primaria se conecta a una fuente de energía y produce un campo magnético variable. Este campo magnético es detectado por una bobina secundaria cercana, que se conecta a otro circuito. La variación del campo magnético induce una corriente eléctrica en la bobina secundaria, lo que permite la transmisión de la señal eléctrica al circuito conectado. El acoplamiento magnético se utiliza comúnmente en la electrónica industrial para la transmisión de señales a través de barreras de aislamiento eléctrico y la protección de circuitos. Esto es particularmente útil en entornos donde se requiere un alto grado de seguridad, como en la industria automotriz, la industria aeroespacial y la medicina. Además, el acoplamiento magnético se utiliza en aplicaciones de control de potencia de alta frecuencia, como en la regulación de velocidad de motores eléctricos de alta velocidad y en la conmutación de fuentes de alimentación de conmutación. En resumen, el acoplamiento magnético en la electrónica industrial se refiere al uso de un campo magnético para transmitir señales eléctricas entre dos circuitos sin la necesidad de una conexión eléctrica directa. Esto permite una mayor seguridad y confiabilidad en la transmisión de señales y la protección de circuitos en entornos de alta exigencia. 1.2.3. Circuitos de disparo con dispositivos digitales. Los circuitos de disparo con dispositivos digitales se refieren a la utilización de dispositivos electrónicos digitales, como microcontroladores, circuitos integrados lógicos y procesadores de señales digitales (DSP), para controlar la activación de otros componentes electrónicos. Estos dispositivos digitales se programan para responder a una señal de entrada y activar una señal de salida en función de una lógica específica. Por ejemplo, un microcontrolador puede programarse para recibir una señal de entrada de un sensor y activar un circuito de disparo en respuesta a ciertas condiciones predefinidas. Estos circuitos de disparo digitales se utilizan comúnmente en la electrónica industrial para la automatización de procesos, el control de maquinaria y la monitorización de sistemas. Algunos ejemplos de aplicaciones incluyen el control de motores eléctricos, la regulación de temperatura y la supervisión de procesos de producción. Una ventaja de los circuitos de disparo con dispositivos digitales es que ofrecen una mayor precisión y flexibilidad en comparación con los circuitos de disparo analógicos. Además, pueden
programarse para adaptarse a diferentes condiciones y ajustar automáticamente la salida en función de la señal de entrada. En resumen, los circuitos de disparo con dispositivos digitales se refieren al uso de dispositivos electrónicos digitales programables para controlar la activación de otros componentes electrónicos. Estos circuitos se utilizan comúnmente en la electrónica industrial para la automatización y control de procesos, y ofrecen una mayor precisión y flexibilidad en comparación con los circuitos de disparo analógicos. 1.2.3.1. Timer. Un timer en electrónica industrial es un dispositivo que se utiliza para medir el tiempo y activar o desactivar otros dispositivos electrónicos en función del tiempo transcurrido. El timer puede ser analógico o digital y se puede programar para una variedad de funciones, como el retardo, la activación de relés, el control de motores eléctricos, el monitoreo de procesos y otras aplicaciones en la industria. Los timers suelen tener una entrada de disparo que se utiliza para iniciar la cuenta regresiva o la cuenta ascendente. El temporizador puede configurarse para operar en modo de retardo o temporizador, dependiendo de la aplicación. En el modo de retardo, el temporizador activa la salida después de un tiempo preestablecido desde la entrada de disparo, mientras que en el modo de temporizador, la salida se activa durante un tiempo preestablecido después de la entrada de disparo. Los timers se utilizan comúnmente en la industria para la automatización de procesos y el control de maquinaria. Por ejemplo, un timer puede utilizarse para controlar el tiempo de espera antes de que un motor eléctrico se active o para programar el tiempo de cocción en un horno industrial. También se pueden utilizar para el control de luces, sistemas de riego, sistemas de ventilación, sistemas de calefacción, y muchos otros sistemas en la industria. En resumen, un timer en electrónica industrial es un dispositivo que se utiliza para medir el tiempo y activar o desactivar otros dispositivos electrónicos en función del tiempo transcurrido. El timer puede ser analógico o digital y se puede programar para una variedad de funciones en la industria, como el retardo, la activación de relés, el control de motores eléctricos y la monitorización de procesos. 1.2.3.2. Divisores de frecuencia. Un divisor de frecuencia en electrónica industrial es un circuito que se utiliza para reducir la frecuencia de una señal de entrada. El circuito divide la frecuencia de la señal de entrada por un factor preestablecido, y genera una señal de salida con una frecuencia más baja. Un divisor de frecuencia típico puede consistir en un contador binario, que cuenta los pulsos de entrada y produce una salida cada vez que se alcanza un cierto número de pulsos. Por ejemplo, si el divisor se configura para dividir la frecuencia de entrada por un factor de 2, la salida generará un pulso de señal cada dos pulsos de entrada. De manera similar, si el divisor se
Los microcontroladores se utilizan para controlar y automatizar una amplia variedad de dispositivos y sistemas, como electrodomésticos, sistemas de control de iluminación, sistemas de seguridad, dispositivos médicos, equipos industriales y sistemas de control de automóviles. Estos dispositivos se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones en la vida cotidiana, incluyendo el control de electrodomésticos, sistemas de riego, sistemas de ventilación y climatización, y dispositivos de seguridad. La funcionalidad de los microcontroladores se programa mediante el uso de lenguajes de programación como C, C++ o lenguajes de programación específicos de cada fabricante. Los programadores escriben un código para el microcontrolador que define cómo el dispositivo debe operar y qué entradas y salidas deben controlarse. Una vez que se carga el programa en el microcontrolador, el dispositivo ejecuta el programa continuamente para controlar y automatizar el sistema. Los microcontroladores son muy útiles en aplicaciones donde se necesita un control preciso y rápido de los sistemas, como en sistemas de control de motores y en sistemas de medición y control. Algunos microcontroladores también incluyen características de seguridad, como el cifrado y la autenticación de datos, lo que los hace útiles en aplicaciones de seguridad y control de acceso. En resumen, los microcontroladores son dispositivos electrónicos integrados que se utilizan para controlar y automatizar una amplia variedad de dispositivos y sistemas en la vida cotidiana. Los microcontroladores incluyen componentes electrónicos como procesadores, memoria y dispositivos periféricos que se programan mediante lenguajes de programación específicos del fabricante. Los microcontroladores son muy útiles en aplicaciones que requieren un control preciso y rápido de los sistemas, como en sistemas de control de motores y en sistemas de medición y control, y también incluyen características de seguridad para aplicaciones de seguridad y control de acceso. 1.2.3.5. Moduladores de ancho del pulso. Los moduladores de ancho del pulso (PWM, por sus siglas en inglés) son circuitos electrónicos que se utilizan para controlar la cantidad de energía que se envía a un dispositivo eléctrico. Estos circuitos son muy útiles en aplicaciones que requieren una regulación precisa de la energía, como en sistemas de control de motores, sistemas de iluminación LED, sistemas de carga de baterías y sistemas de control de temperatura. El funcionamiento de un PWM se basa en la modulación de la duración de los pulsos de una señal de corriente eléctrica que se envía al dispositivo que se desea controlar. Esto se logra mediante la comparación de una señal de referencia con una señal de control, que puede provenir de un microcontrolador o de otro circuito electrónico. La señal de referencia define la frecuencia de los pulsos, mientras que la señal de control define la duración de los pulsos. Al ajustar la duración de los pulsos, se puede controlar la cantidad de energía que se envía al dispositivo. Los PWM tienen varias ventajas en comparación con otros métodos de control de energía, como los reguladores de voltaje lineales. Por un lado, los PWM son más eficientes en términos de
energía, ya que sólo envían la energía necesaria al dispositivo en lugar de disipar la energía sobrante como calor. Además, los PWM pueden controlar la cantidad de energía que se envía al dispositivo con mayor precisión, lo que permite un control más preciso de la velocidad del motor, el brillo de la luz LED, la carga de la batería y la temperatura. En resumen, los moduladores de ancho del pulso son circuitos electrónicos que se utilizan para controlar la cantidad de energía que se envía a un dispositivo eléctrico mediante la modulación de la duración de los pulsos de una señal de corriente eléctrica. Estos circuitos son muy útiles en aplicaciones que requieren una regulación precisa de la energía, como en sistemas de control de motores, sistemas de iluminación LED, sistemas de carga de baterías y sistemas de control de temperatura, y tienen varias ventajas en términos de eficiencia energética y precisión de control. 1.2.3.6. Módulos de Potencia, características y aplicación. Los módulos de potencia son dispositivos electrónicos que se utilizan para controlar la cantidad de energía que se entrega a un dispositivo eléctrico de alta potencia, como un motor eléctrico o una carga resistiva. Estos módulos se caracterizan por su capacidad para manejar grandes cantidades de energía y por ser capaces de trabajar con tensiones y corrientes elevadas. El módulo de potencia está diseñado para cumplir varias funciones, como la protección del dispositivo que se está controlando, la regulación de la energía que se entrega a la carga, la conmutación de la energía y la medición de la energía consumida. En términos generales, los módulos de potencia pueden clasificarse en dos categorías: los módulos de potencia de conmutación y los módulos de potencia de control. Los módulos de potencia de conmutación se utilizan para encender y apagar la energía que se envía a la carga. Estos módulos son útiles para controlar la velocidad de un motor eléctrico o para regular la intensidad de una luz o una calefacción. Los módulos de potencia de control, por otro lado, se utilizan para regular la cantidad de energía que se envía a la carga. Estos módulos son útiles para controlar la temperatura de un horno o la velocidad de un motor. Los módulos de potencia tienen varias características que los hacen ideales para su uso en aplicaciones de alta potencia. En primer lugar, tienen una alta capacidad de conmutación, lo que significa que pueden encender y apagar la energía en ciclos muy cortos de tiempo. También tienen una alta eficiencia energética, lo que significa que la energía que se entrega a la carga se utiliza de manera más eficiente y se disipa menos calor. En términos de aplicación, los módulos de potencia se utilizan en una amplia variedad de dispositivos y sistemas, incluyendo sistemas de control de motores, sistemas de calefacción y refrigeración, sistemas de iluminación, sistemas de audio y sistemas de comunicaciones. También se utilizan en aplicaciones industriales, como en sistemas de control de procesos y en sistemas de alimentación de energía. En resumen, los módulos de potencia son dispositivos electrónicos que se utilizan para controlar la cantidad de energía que se entrega a un dispositivo eléctrico de alta potencia. Estos módulos se caracterizan por su capacidad para manejar grandes cantidades de energía y por ser capaces
