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electrónica industrial y sus origines

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  • República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del poder popular para la educaciónInstituto tecnológico “Antonio José de sucre”Extensión San CristóbalElectrónicaIntegrantes:Cesar E. Rivera AyosCristian Becerra
  • Electrónica Industrial OrígenesLos orígenes y los presursores de la electrónica fueron inventados porJohn Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo estábasado en el efecto Edison. Edison fue el primero que observó en 1883 laemisión termoiónica, este hecho se producía porque los electrones de losátomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energía en forma decalor, escapaban de la atracción del núcleo y, atravesando el espacio vacíodentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de la lámina.Otros precursores conocidos fueron como el físico inglés James ClerkMaxwell. Maxwell, en el prefacio de su obra Treatise on Electricity andMagnetism (1873), declaró que su principal tarea consistía en justificarmatemáticamente conceptos físicos descritos hasta ese momento deforma únicamente cualitativa, como las leyes de la inducciónelectromagnética y de los campos de fuerza, enunciadas por MichaelFaraday. Con este objeto, introdujo el concepto de ondaelectromagnética. Maxwell predijo que era posible propagar ondas por elespacio libre utilizando descargas eléctricas, hecho que corroboróHeinrich Hertz en 1887, El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuandoinventó el tríodo en 1906. Este fue un paso muy importante para lafabricación de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio,televisores, etc. Pero los precursores a que la electrónica empezara aminiaturizarse fueron definitivamente con el transistor, aparecido de lamano de Bardeen y Brattain, de la Bell Telephone, en 1948, cuando sepermitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las radios.El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949. En 1958 sedesarrolló el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en unúnico chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004.En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastosque se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división esla que distingue la electrónica analógica de la electrónica digital.
  • Los Primeros inventos y Principios de la ElectrónicaLos Primeros Inventos de la electrónica fueron simplemente los inventosque fabricaron los precursores de la electrónica, pero han existido unaserie de artefactos que ayudado a crear aparatos como las primerasradios, televisores, los primeros los teléfonos celulares, los computadores,la internet, el área de la telecomunicaciones, etc. Finalmente laelectrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas,principalmente se desarrolla en la electrónica de control,Telecomunicaciones y en la electrónica de potencia. Los principios enelectrónica son un conjunto de procesos que se utilizan en la electrónicapara poder precisar de forma exacta el comportamiento de un circuito,como así también determinar su composición. Las matemáticas han hechoun aporte eminente a la teoría de circuitos. Gracias a las matemáticas seha podido entender y cuantificar de forma simple los fenómenoseléctricos. De esta forma se ha comprendido mejor el comportamiento dela energía eléctrica dentro de los circuitos y mecanismos electrónicos.El siglo XX ha sido testigo del descubrimiento e invento de miles desucesos y artefactos que en toda la historia de la humanidad, lo que hallevado a mejorar la calidad de vida de millones de habitantes de estatierra pero también ha contribuido, directa o indirectamente, a lacontaminación del planeta y que otras millones de personas vivan encondiciones precarias. La tecnología a permitido desarrollar armas con unincreíble poder de destrucción, pero también a logrado fabricarinstrumentos para la medicina, lo que ha logrado salvar a muchaspersonas y prevenir enfermedades que hace poco se considerabanmortales. Se puede resumir que se han perfeccionado y mejorado muchola ciencia, por ende la tecnología, y es sólo el uso que le dé el hombre loque finalmente repercutirá en nuestro medio ambiente. En este desarrollotecnológico de fin de milenio, lo que ha permitido confeccionar máquinascapaces de realizar funciones que sólo en el siglo pasado se creíanimposibles, ha sido la electrónica. Actualmente podemos observarprincipalmente a nuestro alrededor que la electrónica se encuentra entodas parte y una evolución muy avanzada es la robótica ya que dentro desus aplicaciones son grandes pero en parte por la falta de conocimiento
  • por parte de la mayoría de la población aún no se ha implantadocompletamente. Bueno, en realidad si lo ha hecho, pero la mayoría de lagente no lo sabe. ¿Cómo funciona el microondas, o el mando a distancia, ola parte electrónica de un coche? Realmente todo está robotizado(responde de cierta forma a un estímulo determinado o a la activación dequien lo maneja), aunque generalmente esto se considera comoelectrónica. Otra característica que podemos observar es en lastelecomunicaciones que cubre todas las formas de comunicación adistancia, incluyendo radio, telegrafía, televisión, telefonía, transmisión dedatos e interconexión de ordenadores a nivel de enlace. Y el másimportante es el avance que hoy en día existe en el área del internet en lacomunicación a cualquier parte del mundo a través de redes.Un elemento crucial para el desarrollo de la radio fue el oscilador. Estecircuito fue inventado en 1913 por el físico estadounidense Edwin HowardArmstrong (1890-1954). Es un circuito basado en un tríodo, de cuya salidase toma una parte de la corriente que se vuelve a alimentar a la entradadel tríodo, formando un circuito de retroalimentación. El primer programapúblico de radio fue emitido en Inglaterra el 23 de febrero de 1920. Asínació radio.En 1933 Armstrong inventó otro tipo de emisión de señales de radio: el defrecuencia modulada (FM). La transmisión por FM, iniciadacomercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941, comparada con laamplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que sus transmisiones no sealteran con las perturbaciones, ya sean atmosféricas o producidas por elhombre, que afectan la amplitud de la onda pero no su frecuencia. En elsistema de FM no se presenta el llamado fenómeno de "estática", que esun ruido sistemático que se oye en emisiones de AM.La radio como laconocemos en la actualidad fue la creación de tres hombres: Lee deForest, autonombrado "padre de la radio", cuya invención del tríodo hizoposible el nacimiento de la electrónica moderna; Edwin HowardArmstrong, inventor del circuito retroalimentador (y del oscilador) asícomo de la frecuencia modulada, que forman la base de la transmisión yrecepción de los sistemas actuales de radio (y de televisión); finalmente,David Sarnoff, quien encabezó la Radio Corporation of America (RCA).
  • Hace alrededor de un siglo, varias personas empezaron a considerar laposibilidad de enviar imágenes por medios eléctricos (o sea, lo que hoy endía hace la televisión). En 1884, el alemán Paúl Nipkow solicitó unapatente para un sistema de televisión que él denominó "telescopioeléctrico". Este rústico aparato era dispositivo electromecánico queutilizaba una fotocelda para transformar luz en corriente eléctrica. Laimagen no reproducía los detalles finos. Variaciones de este se diseñaronhasta 1930 sin que realmente tuviesen éxito. En una reunión de laSociedad Roentgen, efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero eléctricoA. A. Campbell Swinton presentó un esquema de sistema de televisión,que es el que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir seenfocaría sobre una placa hecha de material no conductor de electricidad,por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayoscatódicos. Este tubo fue inventado a mediados del siglo XIX por WilliamCrookes para estudiar las propiedades de las corrientes eléctricas a travésde gases. Para el receptor, Campbell Swinton escogió un tubo de rayoscatódicos diseñado en 1897 por Ferdinand Braun, de la Universidad deEstrasburgo, en ese entonces parte de Alemania. Este tubo, llamadocinescopio, es de vidrio al vacío y tiene en su fondo una pantalla dematerial fluorescente, como fósforo, que emite luz cuando un haz deelectrones incide sobre él. A medida que el haz electrónico barre lasuperficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por punto. Esta fueuna idea de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnología de latelevisión.CampbellSwinton creó el diseño conceptual sobre el cualpersonas trabajarían. Fue Vladimir Zworykin (1889-1982), un ingenieroruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construyó la primeracámara práctica. En 1924 mostró a la compañía Westinghouse una versiónprimitiva, pero que funcionaba. Las imágenes eran débiles y vagas, casisombras. Los directivos de la empresa no se impresionaron tampococuando Zworykin les mostró una versión mejorada en 1929.A quien sí impresionó Zworykin fue a David Sarnoff, director de otracompañía, la RCA Victor, quien creía en la promesa comercial de latelevisión.
  • Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como director deinvestigación electrónica y en 1933 finalmente convenció a Sarnoff de quesu cámara, a la que llamó iconoscopio (del griego iekon, imagen, y skopon,ver), y su cinescopio eran satisfactorios. Campbell Swinton habíapropuesto que fueran de rubidio, pero Zworykin descubrió que era mejorcubrir plata con óxido de cesio.La RCA probó por primera vez un sistemacompleto en 1933. Transmitió imágenes de 240 líneas a una distancia desiete kilómetros en Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el número delíneas; actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema detelevisión en funcionamiento. Por problemas burocráticos el gobierno noaprobó la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941. Durante los añosde la segunda Guerra mundial, científicos e ingenieros dirigidos porZworykin desarrollaron una cámara 100 veces más sensible que eliconoscopio, al terminar la guerra, la RCA reinició sus trabajos en el campode la televisión.El transistor, se empezó a utilizar a finales de la década de 1940, seconsideró en su época como una maravilla de lo compacto, comparadocon el tamaño de los tubos al vacío. A partir de 1950 el tamaño de losdispositivos electrónicos se ha reducido. En 1960, se empezó a usar lapalabra microelectrónica, un bloque (chip) de silicio de un área de 0.5 cm²podía contener de 10 a 20 transistores con varios diodos, resistencias ycondensadores. Hoy en día tales bloques pueden contener varias docenasde miles de componentes. A medida que elmicro tecnología electrónica sedesarrolló, se aplicó a computadoras comerciales. Se diseñaron diferentesdispositivos portátiles como las calculadoras. Cada componente que seusaba en un circuito electrónico estaba hecho de materiales que tuviesenlas características requeridas para su funcionamiento. Se utilizó eltungsteno para los cátodos de un tubo al vacío, cerámica paracondensadores, carbón para resistencias. Hacia mediados de la década de1950 se construyeron circuitos electrónicos en laboratorios industriales dedos compañías estadounidenses, Texas Instruments y FairchildSemiconductor. De esta manera se han construido un sinnúmero deaparatos y dispositivos micro electrónico que distinguen la época en quevivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras y otros.
  • En computación, el hardware configurable, la computadoras ópticas y lacomputación molecular. En las computadoras ópticas haces de luzremplazan a las conexiones metálicas (de cobre). Estas serán de mayorcapacidad, más rápidas, de menor consumo energético y ocuparan menosespacio. En transporte terrestre, los trenes voladores MAGLEV (MagneticallyLevitatedVehicles), los automóviles eléctricos y electrónicos,y los automóviles inteligentes serán las tecnologías responsables deldesplazamiento rápido y seguro de las personas. Los trenes voladores sonvehículos que corren a velocidades cercanas a los 500 Km/h.Electroimanes de gran potencia se usan para generar las fuerzas desuspensión, conducción, tracción y frenado del tren. El tren japonés HSSTcon suspensión magnética repulsiva, y el Transrapid alemán consuspensión magnética atractiva, son dos prototipos MAGLEV que en lapráctica han demostrado que velocidades cercanas a los 500 Km/h sonposibles.En los automóviles eléctricos, los motores de combustión sonremplazados por motores eléctricos alimentados por baterías recargables.Estos automóviles eléctricos son más eficientes (en términos deenergía/distancia) y más limpios (no emiten gases contaminantes) que losvehículos con motores de combustión. Estos surgen como una respuestanecesaria a la contaminación ambiental y al agotamiento de las reservasmundiales de petróleo.En los automóviles electrónicos, las conexiones mecánicas sonremplazadas por cables eléctricos que conectan las diferentes partes delvehículo. Los automóviles inteligentes son vehículos capaces de cooperarcon el conductor (copiloto automático) o capaces de asumir todas lasfunciones del conductor (piloto automático). Estos vehículos vendránEquipados con sistemas de navegación basado en satélites (sistemas GPS),con video-cámaras para "ver", con micrófonos para "escuchar" y conParlantes para "hablar".Junto con los automóviles inteligentes se tendrán también las pistasinteligentes que se encargan de conducir vehículos sin la necesidad de unconductor. Las pistas inteligentes se han planteado como una solución a
  • las insoportables congestiones de tránsito vehicular. El Sistema deAutopistas Automáticas de Alta Velocidad (AutomatedHighwaySystem)que se viene desarrollando en California, EE. UU.En el campo de las comunicaciones, las redes completamente ópticas seimpondrán como la tecnología más eficiente para transmisiones intensivasen data (voz, fax, video) entre millones de terminales. En teoría una fibraóptica simple puede transmitir a una velocidad de 100 veces superior a lavelocidad de transmisión en cables de cobre.La tecnología láser ha evolucionado rápidamente desde su comienzo amediados de 1950. El Sistema de Láser Aerotransportado (ABL) y SistemaLáser Basado en el Espacio (SBL) son precursores de una claseenteramente nueva de armamento. El aprovechamiento del láser para ladesviación de escombros en órbita es algo está en investigación.La desviación con láseres de asteroides, meteoritos, y cometas esprobablemente la misión espacial internacional más importante paranuestro planeta: la Tierra, en el siglo que comienza. La Tierra ha recibidoimpactos varias veces en el pasado y recibirá impactos semejantes en elfuturo.Las máquinas inteligentes, los materiales inteligentes y el softwareinteligente serán una realidad considerando la gran rapidez que tendránlos futuros microprocesadores. Las máquinas inteligentes serán capacesde aprender, inferir, pensar, juzgar, memorizar, recordar y mejorar demanera muy similar a la del ser humano.Los materiales inteligentes son aquellos capaces de modificar suestructuraInterna de manera que no se dañen ante el efecto de sobrecargas (comoterremotos).Se tienen las cámaras y video-cámaras digitales (no más revelado defotos), las cirugías laparoscópicas computarizadas, los órganos artificiales,los robots que harán actividades del hogar e industrias.
  • Usos comunes de la electrónica
  • Electrónica ModernaLa electrónica moderna estudia las maquinas eléctricas tales comomotores y transformadores y todas las cargas eléctricas industriales. Seencarga de los dispositivos de estado sólido para efectuar el control y laconversión de la energía.La electrónica de potencia o electrónica industrial se puede definir comola aplicación de la electrónica de estado sólido para conversión de laenergía eléctrica.La electrónica industrial se utiliza en controles de iluminación, sistemas decalefacción, fuentes de alimentación, etc.Los dispositivos semiconductores de potencia son:• Diodos de Potencia• Tiristores• Transistores de unión bipolares de potencia• Transistores de efecto de campo de pote4ncia• Transistores bipolares de compuerta aislada• Transistores de inducción estáticosEl diodo de potencia tiene dos terminales llamadas ánodo y cátodo, yconduce cuando el voltaje del ánodo es más alto que el del cátodo.Cuando el voltaje del cátodo es más alto que el del ánodo, el diodo esta enmodo de bloqueo. Sus tres tipos son: de propósito general, de altavelocidad y el diodo SchottkyEl tiristor tiene ánodo, cátodo y compuerta. Si se aplica una pequeñacantidad de corriente desde la compuerta hacia el cátodo y el tiristor estapolarizado directamente, entonces este conduce.Los transistores bipolares de alta potencia tienen tres terminales: base,emisor y colector. Los hay del tipo NPN y PNP. En la configuración NPN
  • para activar el transistor, la base debe de estar a un potencial mayor queel del emisor, y la corriente de base debe ser suficientemente grande paraque el transistor entre a la región de saturación. Además el colector debetener un potencial mayor al del emisor. Si la corriente de base se retira deltransistor pasa al estado de corte, o modo de no conducción.El transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor (MOSFET),es un dispositivo unipolar, consta de tres terminales: fuente, drenaje ycompuerta. Opera como un dispositivo controlado por voltaje, ya sea concorriente de electrones (canal N) o por corriente de huecos (canal P)Los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) son transistores depotencia controlados por voltaje. Son más rápidos que los BJT, pero aunno tan rápidos como los MOSFET. Son adecuados para altos voltajes yaltas corrientes.Los transistores de inducción estáticos (SIT) son dispositivos de altapotencia a muy alta frecuencia. Son la versión en estado sólido del tubo devacío tríodo.Tipos de Circuitos electrónicos de potenciaLos rectificadores convierten el voltaje de CA a CD usando diodos.Convertidor ca-cd usan tiristores obtiene el valor promedio delvoltaje de salido controlando el tiempo de conducción.Convertidor ca-ca usa TRIACs para regular el voltaje alterno desalida a partir de una fuente de CA. Su principio de operación es elmismo que el rectificador controlado.Convertidor cd-cd usan transistores para regular un voltaje de salidade CD. Esto lo logra variando el ciclo de trabajo.Convertidor cd-ca a partir de una fuente de CD, proporcionan unaseñal de corriente alterna.Interruptores estáticos operan como un interruptor ideal y según eltipo de voltaje, utilizan diferentes dispositivos electrónicos
  • La expresión Electrónica de Potencia se utiliza para diferenciar el tipo deaplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso paratransformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Sediferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónicadenominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica,pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos paracontrolar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores depotencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones depotencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticosde potencia.De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformarla energía eléctrica para distintos fines tales como alimentarcontroladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica decontinua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y elfuncionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo dedispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluyetanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación defactor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico aconsumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos depotencia de distinta frecuencia.El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de laenergía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementosresistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Losprincipales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores,así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off,encendido y apagado).Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energíaen otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominanconvertidores estáticos de potencia, clasificados en:
  • Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continuaInversores: convierten corriente continua en corriente alternaCiclo conversores: convierten corriente alterna en corriente alterna deotra frecuencia menorChoppers: convierten corriente continua en corriente continua de menoro mayor tensiónEn la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importanciadebido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidoreselectrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayorversatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revoluciónfue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadaspotencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo depotentes motores.Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potenciason las siguientes:Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importanciaun subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentesde alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevadorendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro deaplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicospermite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o parsuministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidaden los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominadacomercialmente como "inverter" sustituye el antiguo controlencendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrarenergía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria,principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.) durantelas décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo deenergía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposicióncon el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias dearranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido,
  • pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos vehículos, puesto queactualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico, mucho máspotente y fiable que el motor de colector.Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un materialconductor a través del campo generado por un inductor. La alimentacióndel inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de loskHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos defrecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas deinducción actuales.Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables lasaplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadasdestacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de controldel factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a altafrecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la redeléctrica, etc.Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivosde potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicandosus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvarcomo el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuiteríade control, así como la disipación de la potencia perdida.Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia yelementos pasivos, que conecta la fuente primaria de alimentación con lacarga. Un circuito de control, que procesa la información proporcionadapor el circuito de potencia y genera las señales de excitación quedeterminan el estado de los semiconductores, controlados con una fase ysecuencia conveniente Un equipo electrónico de potencia constafundamentalmente de dos partes.POTENCIA, refiriéndose a equipos para operación y distribución depotencia eléctrica. ELECTRÓNICA, refiriéndose a dispositivos de estadosólido y circuitos de procesado de señal para alcanzar los objetivos decontrol deseados.• CONTROL, refiriéndose a las características estáticas ydinámicas de sistemas de control en lazo cerrado. Electrónica de PotenciaCircuito electrónico constituido por un conjunto de elementos estáticos
  • formando una red que constituye un equipo de conexión y transmisiónentre un generador y una carga. Un convertidor estático de potencia idealpermite la transferencia de energía eléctrica del generador al receptor conun rendimiento unitario (sin pérdidas) estáticos de energíaConvertidores estáticos de energíaEn función de las formas de energía de la entrada y de la salida de unconvertidor, podemos clasificarlos como:a) Rectificador no controlado:Transforma la corriente alterna de tensión constante en corrientecontinua de tensión constante.b) Rectificador controlado: Transforma lacorriente alterna de tensión constante en corriente continua de tensiónvariable mediante la utilización de tiristores.c) Reguladores de CA:Transforman la corriente alterna de tensión constante en corriente alternade tensión variable y de la misma frecuencia.d) Cicloconvertidores:Convertidores directos alterna/alterna que permiten variar la frecuencia,siendo siempre la frecuencia de salida inferior a la frecuencia deentrada.e) Ondulador o inversor: Transforman una corriente continua encorriente alterna de tensión y frecuencia fija o variable.f) ConvertidorCC/CC o Troceador: transforma corriente continua de tensión constanteen corriente continua de tensión fija o variable. Convertidores estáticos deenergíaConvertidores estáticos de energíaDispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Losestados de conducción (ON) y bloqueo (OFF) dependen del circuito depotencia. 2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran,los SCR (“SiliconControlledRectifier”) y los TRIAC (“Triode ofAlternatingCurrent”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF aON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de losterminales del dispositivo. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lodetermina el propio circuito de potencia. 3. Dispositivos totalmentecontrolados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT(“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campoMOSFET (“Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor”), lostransistores bipolares de puerta aislada IGBT (“InsulatedGate Bipolar
  • Transistor”) y los tiristores GTO (“GateTurn-Off Thyristor”), entre otros.Dispositivos de Electrónica de PotenciaUn diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límitesde tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un únicosentido. Caracterizados por un área mayor (para permitir mayorescorrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas máselevadas). Diodo de PotenciaRecuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúainstantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I enpolarización directa, la zona central de la unión está saturada deportadores mayoritarios, y aunque un circuito externo fuerce la anulaciónde la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la corriente pasapor cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentidode movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa duranteun tiempo, denominado tiempo de recuperación inverso (trr),Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo de menor importanciaque el anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción,. Diodo dePotenciaDiodo de PotenciaDiodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída de tensióndirecta muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidasde salida. Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos defrecuencia elevada en combinación con interruptores controlables, dondese necesitan tiempos de recuperación pequeños. Diodos rectificadores ode frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción (ON) deestos diodos es la más pequeña posible, y como consecuencia tienen untrr grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de lafrecuencia de línea. Diodo de PotenciaEl tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores quetrabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatrocapas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta unfuncionamiento biestable (dos estados estables).La conmutación desde elestado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza
  • normalmente por una señal de control externa. Dentro de la familia de lostiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs(tiristores bidireccionales) TiristoresEl SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamenteP-N-P-N, teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cualescircula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta unacorriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo.SCR (Rectificador Controlado de Silicio)Para que el SCR deje de conducir esnecesario que su corriente caiga por debajo del valor mínimo demantenimiento (IH).Existe una analogía entre el funcionamiento del tiristor y el de unaasociación de dos transistores bipolares,SCR (Rectificador Controlado deSilicio)En régimen estático, dependiendo de la tensión aplicada entre ánodo ycátodo podemos distinguir tres regiones de funcionamiento: 1. Zona debloqueo inverso (vAK< 0): Ésta condición corresponde al estado de noconducción en inversa, comportándose como un diodo. 2. Zona debloqueo directo (vAK> 0 sin disparo): El SCR se comporta como un circuitoabierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa. 3. Zona deconducción (vAK> 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptorcerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula unacorriente superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, semantendrá en dicho estado si el valor del corriente ánodo cátodo essuperior a la corriente de mantenimiento. SCR (Rectificador Controlado deSilicio)A) Disparo por tensión excesivab) Disparo por impulso de puertac) Disparopor derivada de tensiónd) Disparo por temperaturae) Disparo por luzSCR:Activación o disparo y bloqueo.El TRIAC (“Triode of AlternatingCurrent”) es un tiristor bidireccional detres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 yvivecersa, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambossignos.TRIAC
  • Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto,requiriendo únicamente un único circuito de control, dado que sólodispone de un terminal de puerta. Sin embargo, tal y como está fabricado,es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muyreducida.En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia,con tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de15A.Alvarez_LlivicuraTRIACEl GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permitecontrolar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción yviceversa.GTO (“GateTurn-Off Thyristor”)GTO: Principio de funcionamientoEn Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizadoscomo interruptores. Los transistores tienen la ventaja de que sontotalmente controlados. Los tipos de transistores utilizados en los circuitoselectrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET ydispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolarde puerta aislada (IGBT).TransistoresMás conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente setrata de interruptores de potencia controlados por corriente. TransistorBipolar de Potencia (TBP)En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor porel potencial positivo de la base. Esta capa central es suficientemente finapara que la mayor parte de los portadores tenga energía cinéticasuficiente para atravesarla, llegando a la región de transición de J2, siendoentonces atraídos por el potencial positivo del colector. TBP : Principio defuncionamiento y estructura.Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comportacomo un interruptor abierto, que no permite la circulación de corrienteentre colector y emisor. Activa: se inyecta corriente a la base deltransistor, y éste soporta una determinada tensión entre colector yemisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base,con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del
  • transistor. Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base paradisminuir la vCE y conseguir que el transistor se comporte como uninterruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus terminales esmuy pequeña y depende del transistor. TBP : Características estáticascaracterística de transferenciaEn Electrónica de Potencia, obviamente,interesa trabajar en la zona de corte y en la zona de saturación, dado queen la zona activa se disipa mucha potencia y en consecuencia elrendimiento del sistema puede llegar a ser muy pequeño.Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla porcorriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión.Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p.MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistors)Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puertarepele los agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sinportadores libres. Cuando esta tensión alcanza un cierto valor umbral (VT),electrones libres (generados principalmente por efecto térmico) presentesen la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región P, porel cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. MOSFET:Principio de funcionamiento y estructuraCorte: La tensión entre la puerta y la fuente es más pequeña que unadeterminada tensión umbral (VT), con lo que el dispositivo se comportacomo un interruptor abierto. Óhmica: Si la tensión entre la puerta y lafuente (o surtidor) es suficientemente grande y la tensión entre eldrenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como uninterruptor cerrado, modelado por una resistencia, denominadaRON.Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensióndrenador-surtidor elevada, éste se comporta como una fuente decorriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor.La disipación de potencia en este caso puede ser elevada dado que elproducto tensión-corriente es alto. MOSFET: Zonas de TrabajoMOSFET: Zonas de Trabajo En Electrónica de Potencia nos interesa que unMOSFET trabaje en corte o en óhmica (interruptor abierto o cerrado).
  • CaracterísticasLos orígenes y los presursores de laelectrónica fueron inventados porJohn Ambrose Fleming en 1904La electrónica moderna estudia lasmaquinas eléctricas tales comomotores y transformadores y todaslas cargas eléctricas industrialesEl funcionamiento de estedispositivo está basado en elefecto Edison.La electrónica de potencia oelectrónica industrial se puededefinir como la aplicación de laelectrónica de estado sólido paraconversión de la energía eléctrica.Introdujeron el concepto de ondaelectromagnética.La electrónica industrial se utiliza encontroles de iluminación, sistemasde calefacción, fuentes dealimentaciónMaxwell predijo que era posiblepropagar ondas por el espacio libreutilizando descargas eléctricasEl transistor de efecto de campo demetal oxido semiconductor(MOSFET), es un dispositivounipolarlos precursores a que la electrónicaempezara a miniaturizarse fuerondefinitivamente con el transistorLos rectificadores convierten elvoltaje de CA a CD usando diodosLos Primeros Inventos de laelectrónica fueron simplementelos inventos que fabricaron losprecursores de la electrónicaConvertidor cd-cd usan transistorespara regular un voltaje de salida deCD. Esto lo logra variando el ciclo detrabajoFinalmente la electrónicadesarrolla en la actualidad unagran variedad de tareasla electrónica de potencia permiteadaptar y transformar la energíaeléctrica para distintos finesEl transistor, se empezó a utilizar afinales de la década de 1940El principal objetivo de estadisciplina es el manejo ytransformación de la energía de unaforma eficienteEn 1960, se empezó a usar lapalabra microelectrónicaConversión de potencia es elproceso de convertir una forma deenergía en otraSe diseñaron diferentesdispositivos portátiles como lascalculadorasEn la actualidad esta disciplina estácobrando cada vez más importanciadebido principalmente a la elevadaeficiencia de los convertidoreselectrónicos