document3

TECSUP - PFR Electrnica de Potencia

41

Unidad III

SSEELLEECCCCIINN DDEE DDIISSPPOOSSIITTIIVVOOSS DDEE PPOOTTEENNCCIIAA

1. IMPORTANCIA DE UNA CORRECTA SELECCIN

En todo equipo electrnico de control industrial, se cumple el siguiente esquema de conexiones:

EQUIPO ELECTRONICO DE CONTROL INDUSTRIAL

Energa Elctrica de Entrada (V y A no controlados)

ACTUADOR

SISTEMA CONTROLADO

Energa Elctrica de Salida (V A controlados)

Valor deseado

Valor medido

Figura 3.1

Observamos que el Equipo Electrnico de Control Industrial tiene como seales de entrada valores de voltaje de diverso nivel de energa.

Electrnica de Potencia TECSUP - PFR

42

Las seales de voltaje de potencia, ingresan directamente a la etapa de potencia del equipo, mientras que, las seales de voltaje de poca potencia, ingresan directamente a la etapa de control del mismo. La Etapa de Potencia del equipo se encuentra conformada por alguno de los dispositivos electrnicos de potencia (Diodos, Tiristores, Transistores de Potencia, etc.) estudiados en las unidades anteriores. La Etapa de Control del equipo se encuentra conformada por dispositivos electrnicos de poca potencia tales como: diodos Zener, diodos LED, pequeos diodos rectificadores, transistores de seal, circuitos integrados analgicos y digitales, transformadores reductores de alimentacin y sincronismo, transformadores de pulsos, etc.

Por lo tanto se podra dividir al Equipo Electrnico de Control Industrial en dos etapas:

Etapa de Potencia. (Tambin denominado Pre-Actuador por los

instrumentistas) Etapa de Control.

A continuacin presentamos el siguiente grfico:

EQUIPO ELECTRONICO DE CONTROL INDUSTRIAL

Etapa de PotenciaEtapa de Control

Dispositivos de pequea seal

Dispositivos de Potencia

Figura 3.2

Entonces, se concluye que, para efectuar una correcta seleccin de los Dispositivos de Potencia a comprar e instalar en un equipo electrnico de control industrial, se necesita conocer los valores de la energa elctrica de entrada (Voltaje y Corriente),de la energa elctrica de salida (Voltaje y Corriente que solicita el Actuador) y, el circuito de potencia a implementar dentro de la etapa de potencia. De la correcta informacin obtenida, se puede comprar los dispositivos de potencia sin temor a fallas durante su funcionamiento.


43

2. CIRCUITO BSICO

A continuacin estudiaremos diversos circuitos implementados con dispositivos de potencia. Por lo tanto cualquiera de ellos puede conformar la Etapa de Potencia de un Equipo Electrnico de Control Industrial.

2.1 PARA DIODOS RECTIFICADORES

El circuito bsico implementado para poder reconocer los valores principales de voltaje y corriente que soporte el diodo consiste en una fuente de alimentacin AC y una carga resistiva.

Figura 3.3

Observamos que VS es el valor eficaz de la fuente de alimentacin AC que alimenta al diodo y que, segn su polaridad determinar el estado de Bloqueo o Conduccin del diodo. Cuando VS tiene la polaridad indicada, el diodo se encontrar en estado de Conduccin permitiendo que la corriente elctrica fluya hacia la carga R. En dicha carga se obtendr un voltaje DC promedio V0 que servir para que sta desarrolle su potencia til. Por lo tanto, se concluye que el flujo de corriente que pasa a travs del dispositivo de potencia depende prcticamente del valor resistivo de la carga R. La frmula a usar para determinar dicho valor de corriente es:

ID=V0/R Donde ID es la corriente DC que pasa a travs del diodo D1. Cuando VS tiene la polaridad invertida, el diodo se encontrar en estado de Bloqueo, no permitiendo flujo de corriente elctrica hacia la carga R. En dicho caso el diodo soporta el voltaje pico inverso (VIP) de la fuente de alimentacin. La frmula para determinar el voltaje pico inverso que soporta el diodo en dicho circuito es: VIPDIODO= VS . 2


44

2.2 PARA TIRISTORES El circuito implementado es el siguiente:

Figura 3.4 Observamos que el circuito es similar al caso anterior, salvo la inclusin del Tiristor. Por lo tanto las mismas frmulas anteriores se usarn para el caso en que el Tiristor conduzca totalmente (corriente mxima a travs del Tiristor) y cuando se encuentre en Bloqueo (VIP que soporta).

2.3 PARA TRANSISTORES

El circuito implementado es el siguiente:

Figura 3.5

Donde la carga es R y la fuente de alimentacin es E (voltaje DC). Observe que la seal de control es una onda cuadrada, necesaria para que el dispositivo de potencia trabaje en Bloqueo o Conduccin.

SEAL DE CONTROL


45

Si la seal de control aplicada al dispositivo de potencia es un valor suficiente para ponerlo en conduccin, entonces tendremos una corriente que fluye a travs de R y el dispositivo, cuyo valor esta dado por :

IT=E/R Donde IT es la corriente que pasa por el transistor. Si la seal de control es 0, entonces el dispositivo se encuentra en el estado de Bloqueo, soportando sus terminales de potencia el voltaje E. Entonces el mximo voltaje que soporta el transistor en estado de bloqueo para ste circuito es:

Vmx= E.

3. CONSIDERACIONES DE VOLTAJE Y CORRIENTE

Con los valores de corriente mxima y voltaje mximo soportado por el dispositivo de potencia, se tienen dos valores importantes que nos servirn para poder escoger el dispositivo de potencia necesario a usar. Lgicamente, informacin adicional son la frecuencia a la que trabajar el dispositivo y que estar limitado por los tiempos de apagado ( OFFt ) y tiempo de encendido ( )ONt .

Una vez determinados los valores de corriente y voltaje, es necesario aplicar factores de seguridad.

Factor de seguridad para corriente: 1.3 Factor de seguridad para voltaje: 2.0 La forma de usar dichos factores son: Corriente mxima del dispositivo a comprar (IDC)= Corriente mxima calculada x 1.3 Voltaje pico inverso dispositivo a comprar (VIP)= Voltaje Pico Inverso calculado x 2.0

4. DETERMINACIN DE SEMICONDUCTOR A USAR

Es necesario conocer los principales fabricantes de dispositivos de potencia, razn por la cual damos algunos nombres:

RCA General Electric SEMIKRON International Rectifiers Motorota


46

Con los datos conseguidos en la seccin anterior se recurren a los manuales de cualquiera de los fabricantes recomendados y luego de identificar el tipo de dispositivo a comprar, se escogen los valores estndares (corriente y voltaje) inmediato superiores que tienen a la venta, encontrando luego su respectivo cdigo de dispositivo. Mencionaremos que cada fabricante tiene su propio cdigo con el cual pueden identificar a los dispositivos que fabrican. Luego de encontrado el cdigo, puede ir a solicitar dicho dispositivo al proveedor de repuestos.

5. LECTURA DE CATLOGOS DE REPUESTOS

En nuestro medio es un poco difcil conseguir los catlogos de repuestos de cada fabricante, pero gracias a la ayuda de internet podemos ahora acceder a las pginas Web de cada uno y buscar en forma fcil toda la informacin necesaria para escoger el repuesto deseado. En el caso que no se disponga de acceso a Internet y de los manuales de los fabricantes arriba indicados, se puede hacer uso de un catlogo universal que nos permite encontrar los cdigos de reemplazo de todo tipo de dispositivos electrnicos teniendo como dato los valores de corriente y voltaje hallados. Dicho catlogo es el muy conocido Manual de Repuestos ECG.

El procedimiento para usar dicho manual es el siguiente:

Disponer de valores de corriente y voltaje hallados segn frmulas y factores

de seguridad. En el manual ECG, buscar el rubro del dispositivo correspondiente (Diodo,

Tiristor, etc.). Una vez localizado el tipo de dispositivo, busquen los valores estndares de

voltaje y corriente que se encuentran disponibles. Escoga los valores estndares inmediatos superiores disponibles.

Luego, tendr Ud. un cdigo de dispositivo que cumple los valores deseados con el cual podr ir a solicitar a su proveedor de repuestos electrnicos.

Notar tambin que en el manual ECG se puede encontrar informacin adicional (tON, tOFF, Potencia de disipacin, frecuencia de trabajo, etc.) que sern tiles para decidirse por tal o cual componente.

6. PRDIDAS DE POTENCIA EN LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Las prdidas de potencia en los dispositivos de potencia se dan slo durante los tiempos de conmutacin (tON y tOFF) pues en el resto del tiempo se encuentran en estado de Saturacin en estado de Bloqueo, en los cuales la disipacin de potencia es despreciable.


47

Prdida de Potencia en Saturacin= ITERMINALES PRINCIPALES x VTERMINALES PRINCIPALES = Imximo x ( 0 V) = 0 Wats. Prdida de Potencia en Corte= ITERMINALES PRINCIPALES x VTERMINALES PRINCIPALES = ( 0 A) x Vmximo = 0 Wats. A continuacin tenemos la figura 3.6 que corresponde al trabajo de un transistor:

Figura 3.6

De la figura 3.6, se deduce que las prdidas de potencia son pulsantes y se producen durante cada ciclo de trabajo del dispositivo de potencia. Como la temperatura es una variable lenta, el calor en la pastilla de silicio del dispositivo tiene efecto acumulativo, pudiendo alcanzar valores extremos que fcilmente pueden fundir el semiconductor inutilizando el dispositivo.

Disipacin de potencia cuando cambia de estado OFF a ON

Disipacin de potencia cuando cambia de estado ON a OFF


48

7. DETERMINACIN DE DISIPADORES DE CALOR Las prdidas de potencia en los dispositivos de potencia se manifiestan como calentamiento del mismo, causando su deterioro si dicha cantidad de calor alcanza temperaturas por encima de lo permitido. Por lo expuesto, se deduce que todos los dispositivos de potencia deben tener encapsulados con partes metlicas y factibles de montar en un radiador de calor que permitir proteger al semiconductor contra excesos de temperatura. A continuacin tenemos algunas afirmaciones que nos pueden ayudar a tener un concepto claro sobre dicho problema:

Parte de la potencia generada por cualquier dispositivo semiconductor se

transforma en calor radiado a travs de la envoltura externa. El cambio en temperatura es el producto de la potencia disipada por la

resistencia trmica: RPT D= . Donde :

=T Cambio de temperatura en un objeto transmisor de calor (unidades 0C) =DP Potencia disipada por el objeto (unidades Wats) =R Resistencia trmica del objeto (unidades 0C/W)

Si un semiconductor debe disipar una cierta cantidad de calor, su resistencia

trmica debe hacerse lo menor posible a fin de mantener su elevacin al mnimo.

El germanio puede tolerar temperaturas de 85 a 1000C y el silicio de 150 a 2000C. En general debe evitarse trabajar el semiconductor a tales temperaturas.

En un transistor trabajando en la regin activa : CECD VIP .= .

7.1 CLCULO DE UN RADIADOR TRMICO PARA UN TRANSISTOR CON ENCAPSULADO TO-220

La ecuacin de disipacin de potencia es: PD(mx)=[Tj(mx) -TA(mx) ]/

JAR Donde: PD(mx): es la mxima potencia de disipacin del dispositivo. Dicho dato lo da el fabricante. TJ(mx): es la mxima temperatura que soporta la pastilla de silicio. Dato dado por fabricante. TA(mx):es la mxima temperatura del medio ambiente donde se instalar el equipo de potencia.

JAR : es la resistencia trmica total medida desde la pastilla de silicio hasta el medio ambiente.


49

Se tiene : SACSJCJA RRRR ++= . Donde:

JCR : es la resistencia trmica medida desde la pastilla de silicio hasta la placa metlica de aluminio del encapsulado.

CSR : es la resistencia trmica medida desde la placa metlica hasta el disipador de aluminio.

SAR : es la resistencia trmica medida desde el disipador de aluminio al medio ambiente.

Los valores tpicos de disipacin de potencia que pueden manejar

ciertos encapsulados son:

Cpsula TO-3, aproximadamente 2.8 W . Cpsula TO-220, aproximadamente 1.8 W . Cpsula TO-202, aproximadamente 1.8 W . Cpsula TO-92, aproximadamente 0.6 W .

El trmino JCR se obtiene de los datos del fabricante.

Ejm. Se tiene un transistor de encapsulado TO-220 con los siguientes datos: TA(mx)=600C, Tj(mx)=1250C, IC(mx)=0.8 A, VCE(mx)=10 V. Determine Ud. el radiador a usar. Solucin. Se deduce que el dispositivo disipara una potencia de 10Vx 0.8 A = 8 W. Por lo tanto debe montarse en un radiador trmico que disipe una potencia de 8-1.8 = 6.2 W. Del manual se observa que los encapsulados TO-220 tienen un JCR = 50C/W . Luego tenemos JAR =(Tj - TA)/PD , entonces JAR =(125-60)/(0.8x10)= 8.130C/W. Entonces la suma de las resistencias trmicas debe ser igual a 8.13 y siendo JCR = 50C/W se tiene : CSR + SAR =3.13. Si se emplea grasa de silicona, que es eficiente conductor trmico, entre el radiador y la cpsula del regulador, CSR =0.130C/W. Por lo tanto SAR debe proporcionar los adicionales 30C/W. Con dicho valor encontrado se busca en los manuales de radiadores trmicos y se escoge el valor estndar inmediato superior.


50

7.2 RECOMENDACIONES PARA AUMENTAR LA EFECTIVIDAD DEL RADIADOR Los materiales ms usados como radiador son el cobre y aluminio. El cobre tiene una conductibilidad 4 veces mayor que el aluminio pero

su precio es mucho mayor.

Un valor ms alto de emisividad significa una mejor capacidad para radiar calor.

El emisor con acabado de pintura negra o anodizado negro rada con

mayor eficiencia.

Para el acoplamiento o adaptacin fsica al elemento generador de calor se busca un material que presente buenas caractersticas de conduccin trmica y, a la vez una elevada resistencia elctrica: mica, aluminio anodizado y xido de berilio.

Resistencias trmicas ms bajas la presenta la unin aislante y con

grasa de silicona.

Evitar el montaje de elementos sensibles a la temperatura (transistores, reguladores, etc.) proximos a componentes que disipan calor.

Los semiconductores en cpsulas de pequeo tamao que radan calor

deben tener las longitudes de sus terminales de conexin al mnimo y han de aumentarse al mximo posible las superficies de cobre donde se conectan , en el circuito impreso.

Asegurarse el ptimo contacto entre el radiador y el dispositivo que

calienta. Use grasa de silicona para una mejor transferencia de calor.

Al utilizar un radiador provisto de aletas, la mxima disipacin de calor tiene lugar cuando aqullas se hallan en posicin vertical.

Doble, cuando sea necesario, en forma cuidadosa los terminales de los

componentes sensibles a la disipacin de potencia. Las menores grietas que se produzcan en los mismos reducirn su capacidad de disipacin de calor.

Cuando el dispositivo deba aislarse elctricamente de su radiador, se

utilizar una lmina aislante de espesor comprendido entre 0.07 y 0.09 mm, dependiendo de la tensin que deba soportar. Aplicar adems grasa de silicona para compensar el incremento de la resistencia trmica.

document3

Documents