Informe Mes de Marzo 2015

Electrónica de Potencia

1. Objetivo:

Conocer y saber aplicar la electrónica de potencia, así mismo saber identificarla en sistemas dentro industriales, también saber utilizar y comprender el funcionamiento de los diferentes dispositivos que permiten controlar la energía para lograr obtener aquella que necesitamos para realizar diferentes procesos. Con el fin de obtener los conocimientos necesarios para poder analizar, dar mantenimiento y en su defecto reparar los diferentes sistemas que son utilizan estas condiciones dentro de la industria. Además poder encontrar la manera de mejorar estos dispositivos con el fin de evitar fallos y retrabajos ocasionados por un mal funcionamiento.

2. Significado:

Es la rama de la electrónica que estudia los dispositivos y circuitos electrónicos usados para modificar las características de la energía eléctrica. Tiene una función muy importante en los circuitos eléctricos, ya que gracias a ella podemos controlar y definir la cantidad de energía que suministraremos a un dispositivo, es decir podemos modificar la energía que nos proporciona una fuente para que sea la necesaria para que un actuador funcione adecuadamente.

Comúnmente esta electrónica es utilizada para transformar la corriente alterna (CA) la cual puede ser trifásica o monofásica, en corriente directa (CD), esto se logra a través de rectificadores comúnmente se utilizan diodos o tiristores con el fin de regular la tensión de salida e incluso la polaridad,  sin embargo existen también otros procedimientos:

-Conversión de CA-CA: Permite variar el valor eficaz de la señal entregada.
-Conversión de CD-CD: Permite suministrar una cantidad de corriente directa a un actuador a partir de una alimentación de este tipo.
-Conversión de CD-CA: Son utilizados inversores de frecuencia variables, que dependiendo de la cantidad de CD proporcionará una corriente alterna regulable.

Las características de la energía que podemos modificar gracias a la electrónica de potencia son: la tensión, frecuencia (Hz), forma de la onda, etc.

Los principales rasgos que cubre la electrónica de potencia son:

-Existen solamente bajas perdidas.
-Alta densidad de potencia
-Bajas emisiones electromagnéticas
-Ambiente operativo extremo
-Bajo costo

En un circuito eléctrico las áreas donde utilizamos esta electrónica son en el circuito de potencia (dispositivos donde se hace la conversión de energía) y en el circuito de control (dispositivos de medida y control).

Relación de la electrónica de potencia con el control, electrónica y potencia.

La electrónica de potencia tiene un amplio campo de aplicación, sobre todo en aquellos sistemas que requieran una gran cantidad de potencia para poder accionar un elemento. 

En la actualidad tienen gran cantidad y variedad de aplicaciones gracias a los avances en la tecnología de los elementos semiconductores, que ahora cuentan con una gran capacidad, fácil manejo y bajo costo.

Puede ser usada en:

-Controles de calor
-Controles de iluminación
-Controles de motor
-Fuente de alimentación
-Sistema de propulsión de vehículos
-Sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC por sus siglas en inglés)

Un circuito de electrónica de potencia utiliza principalmente elementos semiconductores los cuales soportan grande cantidades de corriente y tensión. Estos elementos serán los encargados de lograr alterar las características de la energía, y deben evitar que existan perdidas.

La electrónica de potencia se relaciona con una gran cantidad de áreas de conocimiento:

Ver video: “Electrónica de Potencia” 

3. Partes de un equipo electrónico de Potencia:

Un equipo electrónico de Potencia consta de 2 partes principales:

Circuito de Potencia: Es aquel que esta compuesto por semiconductores de potencia y elementos pasivos, el cual liga la fuente primaria de alimentación con la carga. Suele emplear filtros a la entrada y a la salida para evitar daños en la carga o interferencias electromagnéticas con sistemas de comunicación.

Los semiconductores de este circuito trabajan como interruptores, tienen como características que no pueden trabajar con regímenes de ampliación puesto que pueden existir grandes pérdidas. Así mismo debe contra con las siguientes características:

-Deben tener 2 estados claramente definidos, uno de bloqueo de la corriente y otro de conducción.
-Pueden controlar el paso de un estado a otro con pequeñas cantidades de corriente.
-Soportan alto voltaje y corriente cuando se encuentra en estado de bloqueo.
-Cuentan con una gran velocidad en sus cambios de estado (bloqueo/conducción).

Circuito de mando/control: Tiene como fin procesar la información que proporciona el circuito de potencia y genera señales que activan o desactivan los semiconductores de este. Esto ocurre debido a que si los semiconductores no son controlados el circuito de control no es posible.

Varía la caída de tensión lo cual permite, a partir de una información de entrada, obtener otra de salida modificada y amplificada. Verifica la relación entre las señales de entrada y salida, examinando después la potencia suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento.

4. Aplicaciones de la Electrónica de Potencia:

El principal campo de aplicación que se le da a la electrónica de potencia es en sistemas donde necesitamos una forma de energía distinta a la que nos proporciona la fuente con la cual alimentaremos el sistema o dispositivo actuador.

Dependiendo de la cantidad de potencia que soporte el sistema será la aplicación en la cual se utilice, podemos encontrarlo tanto en aparatos domésticos como en maquinas industriales, por ejemplo:

-Aplicaciones de baja potencia (<10 kW):
Domesticas: lavadoras, alarmas, licuadoras, ventiladores.
Equipos de oficina: Computadoras, fotocopiadoras.

-Aplicaciones de media potencia (10-1000 Kw, bajo voltaje):
Industriales: Controles de motor, soldadura, calderas, electroimanes, temporizadores.
Telecomunicaciones: amplificadores de audio.

-Aplicaciones de alta potencia (>1000 Kw, alto voltaje):
Transmisión: Transmisión de corriente eléctrica (Torres de alta tensión).
Tracción: Metros/subterráneos, trenes suburbanos.

Así mismo podemos aplicar la electrónica de potencia en procesos industriales con respecto a las características de conversión de la energía, por ejemplo:

Rectificadores:

- Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Máquinas herramienta, trenes de laminación y papeleras.
- Transporte de energía eléctrica en c.c. y alta tensión.
- Procesos electroquímicos.
- Cargadores de baterías.

Reguladores de alterna:
- Calentamiento por inducción.
- Control de iluminación.
- Equipos para procesos de electrodeposición.

Cambiadores de frecuencia:
- Enlace entre dos sistemas energéticos de corriente alterna no sincronizados.
- Alimentación de aeronaves o grupos electrógenos móviles.

Inversores:
- Accionadores de motores de corriente alterna en todo tipo de aplicaciones industriales.
 - Convertidores de corriente continúa en alterna para fuentes no convencionales, tales como la fotovoltaica o eólica.
- Calentamiento por inducción.

Troceadores:
 - Alimentación y control de motores de continua.
 - Alimentación de equipos electrónicos a partir de baterías o fuentes autónomas de corriente continúa.

La electrónica de potencia es aquella que es utilizada en los convertidores de energía eléctrica (por ejemplo, power supply), para lograr obtener el tipo de energía necesaria para evitar que los consumidores lleguen a dañarse.

5. Dispositivos de la electrónica de potencia:

Para lograr la modificación necesaria en la energía para que pueda ser utilizada en los dispositivos que se necesiten, son utilizados dispositivos semiconductores, los cuales permitirán o interrumpirán el paso de la corriente dependiendo de las circunstancias en las cuales se encuentre, esto nos permite poder manipular las características de la corriente y la tensión.

Los dispositivos pueden realizar diferentes funciones dentro de la electrónica de potencia, por ejemplo: Rectificadores,  convertidores de CA-CD, CA-CA, CD-CA, CD-CD, interruptores estaticos.

Un ejemplo de los rectificadores son los Diodos, son dispositivos que transforman la CA en CD esto se logra gracias a que estos elementos eliminan la onda negativa que tiene la corriente alterna manteniendo únicamente la CD, el voltaje de entrada puede ser monofásico o trifásico.

Otro tipo de dispositivo utilizado en la electrónica de potencia son los Tiristores, estos son elementos que nos permiten controlar grandes cantidades de corriente con circuitos de bajo consumo, a diferencia de un Diodo (P-N) los tiristores tiene 4 capas nombradas P-N-P-N.

Los transistores son otros dispositivos de potencia, ellos tienen la capacidad de entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Puede funcionar como un amplificados, oscilador, conmutador o rectificador. Dependiendo del tamaño de este dispositivo será la cantidad de potencia que puede soportar.

De esta manera podemos encontrar 5 tipos de dispositivos de potencia:

1.- Diodos de potencia.
2.- Tiristores.
3.- Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT).
4.- MOSFET de potencia.
5.- Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT).

5.1 Clasificación 

Podemos clasificar los distintos dispositivos que son utilizados en la electrónica de potencia dependiendo de su funcionamiento y características en general:

1) Activación y desactivación sin control (diodo)
2) Activación controlada y desactivación sin control (SCR)
3) Características de activación y desactivación controladas (BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT)
4) Requisito de señal continua en la compuerta (BJT, MOSFET, IGBT, MCT)
5) Requisito de pulso en la compuerta (SCR, GTO, MCT)
6) Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO)
7) Capacidad de soportar voltajes unipolares (BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT)
 8) Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT)
9) Capacidad de corriente unidireccional (SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo).

Otra forma en que se clasifican los elementos de la electrónica de potencia es por su manera de ser controlados, o por no tener esta capacidad:

Dispositivos controlados: No cuentan con una terminal que les permita ser controlados.
Semicontrolados: Pueden ser controlados de manera externa para permitir el estado de conducción, pero el estado de no conducción no puede ser controlado.
Totalmente controlados: A diferencia a los dispositivos semicontrolados, en estos elementos si pueden ser accionados ambos estados (conducción o  no conducción) de manera externa.

6. Diodos:

Los diodos de potencia tienen el mismo funcionamiento que los diodos convencionales, son dispositivos semiconductores unidireccionales, conformados por los elementos P-N en donde localizamos sus 2 partes principales (ánodo y cátodo). Tienen la desventaja de no poder ser controlados, la única forma de hacerlo es invertir su posición, es decir colocar el ánodo donde se encuentra el cátodo.

Deben tener la característica de solamente permitir una pequeña caída de tensión cuando se le es aplicada una gran cantidad de corriente. Este elemento cuenta con una tensión de ruptura ella es la que indica cuanta es la cantidad de tensión que soporta el diodo sin llegar a quemarse.

6.1 Schottky

Este diodo recibe su nombre del físico alemán Walter H. Schottky. Una de sus características que lo diferencian de los diodos comunes es que estos en lugar de tener una unión P-N cuentan con una unión Metal-N, este metal puede ser Aluminio o Platino.

Tienen la capacidad de permitir caídas de tensión directa muy pequeñas (0.25 a 0.4v) cuando se entran polarizados en directo (en sentido de la flecha).

Cuenta con algunas desventajas tales como que tienen poca capacidad de conducción de corriente en directo. Por esta razón no puede ser utilizado como un diodo rectificador, además de que no soporta voltajes que lo polaricen inversamente estos voltajes deben ser menores a 50 o 100v.

Sin embargo gracias a su velocidad de conmutación son ampliamente utilizados en circuitos de alta velocidad, por ejemplo el de las computadoras. Puesto que también pueden trabajar con frecuencias muy altas.

Son utilizados en circuitos integrados con lógica TTL (Transistor-Transistor Logic, Serie rápida). Los tipos ALS (versión mejorada que AS) y AS (versión mejorada que TTL) permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales.

El Tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que LS (combinación de L y S), mientras que AL permite el doble de velocidad que TTL con la misma potencia.

6.2 Recuperación Rápida

Como su nombre lo dice estos diodos cuentan con un tiempo de recuperación bajo, aproximadamente menos de .5 µs. Pueden son utilizados en una electrónica de potencia como convertidores de CD-CD y CA-CA en donde se utilizan muy pequeños lapsos de tiempo para la recuperación.

Debido a que estos elementos logran una variación de corriente muy rápida necesitan circuitos de protección, sobre todo en caso que en el circuito exterior tengamos elementos inductivos.

Son utilizados en sistemas de alta frecuencia, cuando son utilizadas tensiones mayores a 400v el tiempo de recuperación es controlado por difusión de oro o platino. En el caso de tensiones menores a 400v los diodos epitaxiales proporcionan velocidades de conmutación mayores que las de los diodos de difusión. 

Funcionan como dispositivos auxiliares de los transistores para lograr la conversión de corriente directa a corriente alterna, por ejemplo un Transistor IGBT debe tener siempre un diodo de recuperación rápida parar lograr modificar la energía.

6.3 Rectificadores

Este diodo recibe su nombre gracias a su función, rectifica la corriente alterna, es decir elimina los ciclos negativos de la onda de la corriente alterna, manteniendo únicamente la parte positiva lo que da como resultado una corriente directa. Al igual que los diodos convencionales, esta conformado por la unión P-N

Para saber elegir los diodos rectificadores es necesario tomar en cuenta 3 puntos importantes:

-Frecuencia máxima con la cual puede trabajar correctamente el diodo
-Corriente máxima en que puede conducir en sentido directo
-Tensión directa e inversa que puede soportar

En ellos la tensión en el estado de conducción directo de estos diodos es la más pequeña,  por esto tienen un tiempo de recuperación inverso grande, únicamente permisibles en aplicaciones de la frecuencia de línea. Soportan gran cantidad de kilovoltios y kiloamperios. 

Estos elementos pueden ser conectados en serie o paralelo dependiendo de la necesidad que tenga el sistema.

La función de este diodo se basa en las características de la corriente alterna, puesto que esta forma una sinusoide la cual esta conformada por ciclos (oscilación completa), la mitad de un ciclo tienen valor positivo y la otra mitad valor negativo.

Circuito rectificador simple de media onda: Cuando utilizamos un diodo para transformar la CA en CD la corriente primero pasara por el diodo el cual eliminara la parte negativa de la corriente, dando como resultado una corriente directa “pulsante” que es el medio ciclo que no elimino el diodo. En el medio ciclo siguiente, los electrones cambiarán su sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el semiconductor diodo, puesto que se encuentra el lado positivo del diodo, así que no habrá corriente en el circuito, después de esto el medio ciclo negativo, de nuevo el diodo permite el paso de la corriente

Diodo rectificador de onda completa: Si es necesaria una corriente directa que no sea pulsante deben ser utilizados de 2 a 4 diodos de tal forma que estos den como resultado una corriente directa con pocas oscilaciones.

Para el caso donde solamente son utilizados 2 diodos, es necesario colocar antes de esto un transformador, con una derivación en el centro del enrollado secundario que permita alimentar por igual a cada diodo.

Pueden ser utilizados también 4 diodos (también llamados puentes de diodos) conectados de diferentes maneras, en ellos durante el primer ciclo negativo de la corriente que proporciona la fuente que suministra la corriente alterna  conectada al puente de diodos, los electrones primero pasan por el diodo después de esto el consumidor y después el otro diodo,  para lograr terminar la circulación  de la corriente de electrones por una mitad del circuito correspondiente el puente de diodos.

Ver video: “Diodos rectificación"

7. Tiristores:

Son de los elementos semiconductores más importantes en un circuito eléctrico de potencia. Su característica principal es que funcionan como elementos biestables, es decir tienen 2 estados de funcionamiento (estado conductor y estado no conductor). Su ventaja principal es que podemos controlar grandes cantidades de potencia con muy pequeñas cantidades de potencias de mando.

Está conformado por varias cuatro capas de estructura P-N-P-N donde encontramos sus 3 partes principales ánodo, cátodo y compuerta.

Son elementos capaces de bloquear tensiones directas e inversas hasta el momento que son disparados, cuando esto ocurre se convierten en dispositivos de baja impedancia, conduciendo la corriente que indique el circuito exterior, permitiendo el paso de la corriente no disminuya de un cierto valor. Tienen un elevado ciclo de servicio en paralelo con muy bajos tiempos de encendido y apagado.

También tiene una buena capacidad regenerativa y baja resistencia una ves que es disparado. Existen diferentes tipos de tiristores cada uno con un funcionamiento particular.

Estos dispositivos tienen gran cantidad de aplicaciones dependiendo del uso que se le de, por ejemplo:

Rectificación de corriente:
-Carga de baterías
-Generación de potencia a distancia
-Soldadura
-Regulación de fuentes de alimentación

Control de velocidad de motores:
-Maquinas herramientas

Sustitución de dispositivos electromecánicos
-Relés
-Protección de sobrecarga
-Graduadores de iluminación

Circuitos Lógico
-Multivibradores de potencia
-Contadores
-Circuitos de alarma
-Control de alumbrado de emergencia

7.1 SCR

Su nombre significa Silicon Controled Rectifiers (Rectificador Controlado de Silicio), es un tipo de tiristor unidireccional que conmuta cargas de corrientes en un solo sentido, por ello es capaz de controlar desde pequeñas cantidades de corriente hasta las que requieren grandes cantidades de tensión y amperaje.

Son los tipos de tiristores más comunes, tienen la capacidad de conducir solo cuando su ánodo es positivo respecto al cátodo, para lograr el cambio de estado a “no conductor” es necesario que reciba una cantidad de energía en la terminal de compuerta, hasta que no se produzca el disparo no permitirá el paso de la corriente a través de él.

Cuando tenemos una tensión positiva, la corriente circulara a través de la juntura 3 con portadores que van del cátodo hacia la puerta. La capa P donde se conecta la puerta es estrecha con el fin de que los electrones que pasen la juntura 3 tengan una energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial de la juntura 2.

Si el tiristor comienza a conducir, éste permanece en ese estado aunque la corriente de compuerta desaparezca, y no podrá ser bloqueado. Solamente recuperará su estado de bloqueo cuando la corriente del ánodo es negativa o inferior al valor umbral.

Dependiendo de la manera que sea utilizado el tiristor SCR, tienen diferentes zonas de funcionamiento:

-Zona de bloqueo inverso: Estado de no conducción en inverso (funcionamiento similar al diodo)
-Zona de bloqueo directo: El tiristor se encuentra en estado de no conducción hasta que alcanza la tensión de disparo directa.
-Zona de conducción: Tiene función de un interruptor cerrado, si una ves ha ocurrido el disparo, por él pasa corriente superior a la del enclavamiento.

Pueden ser accionados de diferentes maneras:

-Disparo por puerta
-Disparo por modulo de tensión
-Disparo por gradiente de tensión
-Disparo por radiación
-Disparo por temperatura

Ver video: “Prueba de SCR (Tiristor) encendiendo Bombillo y enclavar circuito.”

7.2 TRIAC

Es un tiristor bidireccional que cuenta con 3 terminales, cada terminal será identificada dependiendo de su posición, de izquierda a derecha la primera terminal es el ánodo 1, la segunda terminal ánodo 2 y la tercera la compuerta. También es conocido como Triodo para Corriente Alterna.

Permite el paso de la corriente de la terminal A1 a la A2 y viceversa. Básicamente esta compuesto por 2 tiristores conectados en paralelo pero en sentido contrario y comparten una misma compuerta.

Solo es utilizado en corriente alterna al igual que todos los tiristores.

La parte positiva de la onda pasará por el triac siempre que haya habido una señal de disparo en la compuerta, gracias a esto la corriente circulará de arriba hacia abajo.

De la misma manera la parte negativa de la onda podrá pasar por el triac si cumple la misma condición de la parte positiva.

Ambos semiciclos están condicionados por está terminal, la cual podemos controlar para determinar cuando el tiristor permitirá el paso de la corriente. Este tiristor solo conducirá una vez que haya sido disparada la compuerta.

En el caso en que el Triac reciba una variación de tensión importante aun sin conducción previa este puede entrar en estado de conducción directa.

Gracias a utilizar este tiristor en un sistema podemos determinar la potencia que consume una carga, debido a que podemos controlar el tiempo que transcurrirá para que este elemento permita el paso de la corriente.

7.3 GTO

Recibe su nombre debido a su funcionamiento, sus siglas significan “Gate Turn-off Thyristor” (Tiristor Desactivado por Compuerta). Estos elementos funcionan como interruptores controlables, es decir, pueden ser encendidos a apagados dependiendo de la señal positiva o negativa que reciban en la compuerta.

Tienen ventajas que los hacen elementos muy convenientes en circuitos de potencia, por ejemplo se encuentran optimizados de manera que evitan perdidas de conducción además de que se encuentran diseñados para ser utilizados en sistemas industriales de gran demanda.

Por ejemplo en este sistema, un disparo positivo cierra el GTO y un disparo negativo lo cierra, estos elementos son convenientes en contadores digitales, o en cualquier sistema donde exista un disparo negativo para bloquear este elemento.

Su funcionamiento es similar al de los tiristores SCR, cuando se encuentra directamente polarizado y recibe una corriente en la compuerta, está podrá circular de la compuerta al cátodo. Cuando esto ocurre gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N, es decir atraviesan la barrera de potencia y son atraídos por el potencial de ánodo y de esta manera se inicia la corriente anódica, es decir el GTO permitirá el paso de la corriente a través de él.

Para lograr el bloqueo o apertura del GTO, es necesario que en la compuerta reciba una corriente negativa.

Su estructura es similar a la de los demás tiristores, cuenta con cuatro capas de silicio P-N-P-N, y tres terminales ánodo (A), cátodo (K) y compuerta (G).

Tiene varias ventajas que los hacen dispositivos más confiables y más fácil de ser utilizados que otros tiristores:

-No necesitan componentes auxiliares como el SCR para realizar la conmutación forzada.
-Debido a que no necesitan bobinas de inducción a la conmutación se disminuye el ruido electromagnético.
-Cuentan con una alta velocidad de conmutación.
-Permite una eficiencia mejorada de los componentes.
-Pueden bloquear grandes cantidades de voltaje.
-Soporta tensiones inversas en la unión puerta- cátodo.

8. Transistores:

Su nombre es la contracción de “Resistor de transferencia”, como su nombre lo dice es una resistencia, pero con la capacidad de variar. Gracias a esto podemos controlar y regular la cantidad de corriente que reciba un sistema o elemento, puede ser una corriente muy grande pero con únicamente una pequeña cantidad de corriente de señal, podemos controlarla. También son utilizados como interruptores.

Los transistores de potencia a diferencia de los transistores convencionales tienen la capacidad de soportar altas tensiones y corrientes, por ello mismo deben ser capaces de disipar grandes potencias.

Puede estar fabricado de los mismos materiales que el diodo (silicio o germanio), cuenta con 3 terminales emisor, base y colector. Físicamente podemos identificar las terminales gracias a la posición en la cual se encuentran, de izquierda a derecha del cuerpo del transistor encontraremos el emisor, en el centro la base y a la derecha de este el colector.

La corriente entrará por el colector y saldrá por el emisor, la base tiene la función de controlador. La base recibirá una corriente y dependiendo de la cantidad que sea será la función que tendrá el transistor.

Existen 2 tipos de Transistores, en los cuales la dirección del flujo será indicada por una flecha, que se puede observar en el símbolo del cada uno de los transistores.

Necesitan circuitos de excitación los cuales deben estar diseñados para que los transistores puedan trabajar en su estado de conducción o en el estado de bloqueo.

Cuentan con 4 estados de trabajo característicos:

Corte: Tiene un comportamiento similar al de un interruptor abierto.
Activo: Se suministra corriente a la base, y soporta una determinada tensión entre colector y emisor.
Saturación: Se suministra suficiente corriente a la base de manera que transistor funcione como un interruptor ideal.
Óhmica: Se comporta como un interruptor cerrado.

8.1 BJT

Su nombre significa “Bipolar Juction Transistor”  (Transistor de Unión Bipolar), sirven como interruptores de potencia controlados por corriente, es el tipo de transistor más utilizado.

Al igual que los demás transistores puede estar fabricado de silicio o germanio, sin importar el material por el cual estén fabricados este transistor cuenta con 3 terminales emisor, base y colector.

Tienen la desventaja de no poder soportar en el sentido opuesto, debido a que las impurezas del emisor pueden llegar a provocar una ruptura de la juntura 1 con bajas tensiones.

Estos transistores tienen 2 variaciones, determinadas por la dirección del flujo que se encuentra en su símbolo:

PNP: El flujo viaja del emisor al colector.
NPN: Son los transistores bipolares más utilizados donde el flujo se dirige del colector al emisor. En el los electrones son atraídos del emisor por el potencial positivo de la base, esta capa es fácilmente atravesada por los electrones, permitiendo el paso a la región de transición, y llegado a el positivo del colector.

Es utilizado comúnmente para amplificar la corriente, es decir, si a este elemento le esta llegando una corriente en su colector y se le es aplicada una cantidad de corriente en la base, dará como resultado una cantidad mayor en si emisor.

Cuando las variaciones de voltaje y corriente de entrada se les aplican el amplificador este circuito actúa sobre ellas  para producir voltajes y corrientes de salida. La función del amplificador es aumentar la amplitud de las variaciones de entrada a salida.

}La razón por la cual los transistores NPN son más utilizados que los PNP, es que existen perdidas menores debido a la movilidad de los electrones con relación a los agujeros, gracias a esto también reduce considerablemente los tiempos de conmutación de estos elementos.

Este transistor puede trabajar en las 3 zonas de funcionamiento:

Corte: No se permite el paso de la corriente entre colector y emisor hasta que reciba corriente en la base.
Activa: La corriente del colector es proporcional a la corriente de la base.
Saturación: Se disminuye la caída de tensión gracias a la corriente suministrada en la base.

8.2 MOSFET

Su nombre significa “Metal-Oxide-Semicondutor Field Effect Transistors”. Son transistores controlados por tensión, es utilizado el campo eléctrico con el fin de obtener un canal de conducción, debido al aislamiento (óxido de silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo.

Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Consisten en un sustrato de material semiconductor dopado en el que se crean dos elementos de tipo opuesto separadas por una barrera de material dieléctrico.

Existen 2 tipos de transistores MOSFET definidos por el lado donde se realizo el dopaje:

-MOSFET de canal N (NMOS): Sustrato de tipo P y difusiones N
-MOSFET de canal P (PMOS): Sustrato de tipo N y difusiones tipo P. Actualmente no son muy utilizados.

Un Transistor MOSFET a diferencia de los demás puede tener 4 terminales: puerta, drenador, fuente y substrato.

Cuando la tensión es aplicada el potencial positivo de la puerta repele los agujeros de la región P, dejando una carga negativa. Cuando esta tensión alcanza el valor umbral los electrones forman un canal N en la región P, permitiendo el paso entre el drenador y la fuente.

Este transistor cuenta con 3 zonas de trabajo:

-Corte: El transistor funciona como un interruptor abierto.
-Óhmica: Se comporta como un interruptor cerrado.
-Saturación: Se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor.

Una de las desventajas de este transistor es que no puede trabajar con grandes potencias además de que la resistencia en conducción depende mucho de la temperatura y la cantidad de corriente que tenga el dispositivo, sin embargo sus características lo convienen en el transistor más rápido.

Sus principales ventajas son:

-Cuentan con una impedancia de entrada de hasta  1000Ω
-Generan menos ruido que los transistores BJT
-Son más estables a la tempertura que los transistores BJT

8.3 IGBT

Su nombre significa “Insulated Gate Bipolar Transistor” (Transistor Bipolar de Puerta Aislada). Es la combinación de los transistores BJT y MOSFET, puesto que utilizan la facilidad de disparo y la alta impedancia de entrada de esta último junto con las pequeñas perdidas de conducción de los BJT de potencia.

La compuerta esta aislada del dispositivo, gracias a esto tenemos un control por tensión sencillo. Trabajan con altas frecuencias  en componentes de alta cantidad de corriente.

Al igual que los otros transistores cuenta con 3 terminales: puerta (G), colector (C) y emisor (E).

Es un elemento semiconductor de 4 capas que se alternan P-N-P-N  y son controlados por  un MOS (Metal-Óxido-Semiconductor).

Cuando se le es aplicada una corriente a la puerta, el transistor enciende inmediatamente, la corriente de colector entonces es conducida y el voltaje se va desde el valor de bloqueo a 0. La corriente persiste para el tiempo de encendido en que la señal de la puerta es aplicada. Para encender el transistor la terminal C (colector) debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal E (emisor).

El IGBT se apagará si interrumpimos la señal de voltaje que recibe la terminal G (base), el tiempo en que sucederá el apagado del IGBT puede ser de únicamente 2 microsegundos. 

Debido a que puede trabajar con frecuencias de hasta 20kHz.

Es un elemento que debe tener como característica fundamentales:

-Permitir solamente pequeñas fugas
-Trabajar con altas potencias
-Bajos tiempos de respuesta, permitiendo de esta manera alta frecuencia de funcionamiento
-No deben producirse efectos calientes
-El efecto avalancha (cuando se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación, los electrones obtienen una energía cinética que les permite pasar a la banda de conducción, formando una avalancha de corriente) debe producir un valor elevado.

Gracias a las ventajas que proporciona este elemento tienen un amplio campo de aplicación, sobre todo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Por ejemplo los podemos encontrar en los variadores de frecuencia, maquinas eléctricas o convertidores de potencia.

9. Cuestionario:

Relaciona las columnas, uniendo cada elemento con su definición:

10. Bibliografía:

"CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONICA DE POTENCIA": http://www.potencia.uma.es/index.php?option=com_content&view=article&id=74%3Acapitulo-1&catid=35%3Ae-book&Itemid=80

"Electrónica de Potencia": http://www.ecured.cu/index.php/Electr%C3%B3nica_de_potencia

"Electrónica de Potencia": http://es.slideshare.net/robysdj/electrnica-de-potencia

"TIRISTORES Características y Principios de Funcionamiento":  http://potencia.eie.fceia.unr.edu.ar/TIRISTORES%201.pdf

"Tiristores Teoría y Aplicaciones": http://es.slideshare.net/Boytronic/tiristores-caractersticas-aplicaciones-y-funcionamiento

"Transistor MOSFET": http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_MOSFET

"Transistor IGBT": http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_IGBT