diodos de potencia, rectificadores de media onda y onda completa monofásicos y polifásicos

DIODOS D

E POTE

NCIA Y

DE

MARCHA LIBRE.

PARÁMETR

OS DE R

ENDIMIE

NTO

UP

I IT A

- I PN

INTRODUCCIÓN

Los diodos semiconductores juegan un papel significativo en la electrónica de potencia. Un diodo funciona como interruptor, realizando diferentes funciones en los circuitos.

Para la mayor parte de las aplicaciones se puede considerar que los diodos de potencia son interruptores ideales, aunque realmente este modelado tenga ciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a los diodos de señal pn, sin embargo, tiene mayores capacidades de manejo de energía, tensión y corriente, que los ordinarios, aunque su velocidad de conmutación (respuesta en frecuencia es baja).

Un diodo de potencia es un dispositivo de unión pn de dos terminales.

CARACTERÍSTICAS DEL DIODO

Cuando el potencial del ánodo es positivo con respecto al cátodo, se dice que se tiene una polarización directa, y conduce. Cuando el cátodo es positivo con respecto al ánodo, se dice que está en polarización inversa (corriente de fuga).

Ecuación del diodo Schokley:

Donde:

= corriente a través del diodo

= voltaje del diodo con el ánodo positivo con respecto al cátodo, V.

= corriente de fuga (o corriente de saturación inversa)

n = constante empírica conocida como coeficiente de emisión o factor de idealidad, valor entre 1 a 2.

CARACTERISTICAS DEL DIODO

El valor Vt de la ecuación recordemos que es:

Donde q = carga del electrón: 1.6022 e-19 C.

T = temperatura absoluta en Kelvin (K = 273 + °C)

k = constante de Boltzmann: (1.3806 e-23 J/K)

Recordemos que existen tres regiones en la operación del diodo:

Región de polarización directa (VD > 0, Vth = 0.7 V)

Región de polarización inversa (VD<0 y |VD|>>VT, ID = -Is)

Región de ruptura (voltaje mayor a 1000 V)

TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA

DIODOS ESTANDAR O DE USO GENERAL:

Los diodos de uso general tienen un tiempo de recuperación inversa alto (25 µs) y se usan en aplicaciones de baja velocidad (rectificadores y convertidores de baja frecuencia). Tienen especificaciones desde menos de uno hasta varios miles de amperios, y desde 50 V hasta alrededor de 5kV.

DIODOS DE RECUPERACIÓN RÁPIDA

Esta clase tiene un tiempo de recuperación de alrededor de 5 µs. Se utilizan en convertidores cd-cd y cd-ca. Soportan desde menos de uno hasta cientos de amperios y de 50 V hasta 3 kV.

DIODOS SCHOTTKY

Tienen un voltaje de conducción bajo con una corriente de fuga alta y viceversa. Esto implica que su voltaje máximo permisible es de 100 V y corriente de 1 a 300 A. Son ideales para las fuentes de alimentación de alta corriente y bajo voltaje.

• Tensión inversa de pico de trabajo: la que puede soportar de forma continuada, sin peligro de ruptura por avalancha.

• Tensión inversa de pico repetitivo: la que puede soportar en pico de 1 ms, cada 10 ms de forma continuada.

PARÁMETROS EN BLOQUEO (POLARIZACIÓN INVERSA)

PARÁMETROS EN BLOQUEO

• Tensión de ruptura: si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar sus características.

• Tensión inversa continua: es la tensión que soporta el diodo en estado de bloqueo.

• Tensión inversa de pico no repetitiva: la que puede soportar una sola vez por 10 ms cada 10 minutos.

PARÁMETROS EN CONDUCCIÓN (POLARIZACIÓN DIRECTA)

• Intensidad media nominal: es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180° que el diodo soporta.

• Intensidad de pico repetitivo: es aquella que puede soportar cada 20 ms, con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura.

• Intensidad directa de pico no repetitiva: es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, duración 10 ms.

• Intensidad directa: es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en estado de conducción.

MODELOS ESTÁTICOS DEL DIODO

El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente.

• ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta el pico negativo.

• tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que esta se anula.

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO

Tiempo de recuperación inversa (trr): es la suma de ta y tb.

Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada y representa el área negativa en la recuperación del diodo.

Irr: es el pico negativo de la intensidad

SF: factor de suavizado, es el cociente de tb entre ta.

Si consideramos que el área formada es un triángulo, entonces:

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSO

Si suponemos que:

• ta = tb trr = 2ta

• ta = trr tb = 0

INFLUENCIA DE TRR EN LA CONMUTACIÓN

Si el tiempo de que toma un diodo en conmutar no es despreciable:

• Se limite la frecuencia de funcionamiento

• Existe una disipación de potencia durante la recuperación inversa

Factores que afectan a trr:

• A mayor Irr menor el valor de trr

• A mayor capacidad almacenada, mayor será trr.

(tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor Vf.

TIEMPO DE RECUPERACIÓN EN DIRECTO

DISIPACIÓN DE POTENCIA

• Potencia máxima disipable (Pmax): Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.

• Potencia media disipada (Pav): Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas. Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.

DISIPACIÓN DE POTENCIA

• Potencia inversa de pico repetitiva (Prrm): Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.

• Potencia inversa de pico no repetitiva (Prsm): Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.

Si el interruptor S1 se cierra, durante el tiempo t1, se establece una corriente a través de la carga, si entonces se abre el interruptor, de debe de encontrar una trayectoria para la corriente de la carga inductiva. Esto se efectúa colocando un diodo Dm, que se llama DIODO DE MARCHA LIBRE.

DIODO DE MARCHA LIBRE

MODO 1

Durante este modo, la corriente del diodo i1, es:

Cuando el interruptor se abre en t=t1 (al final de este modo), la corriente de dicho momento se convierte en:

Si el tiempo t1 es lo suficientemente largo, la corriente llega al valor de régimen permanente y una corriente Is=V2/R fluye a través de la carga.

MODO 2

Este modo empieza cuando se abre el interruptor y la corriente de carga empieza a fluir a través del diodo de marcha libre Dm. Si redefinimos el origen del tiempo al principio de este modo, la corriente a través del diodo de marcha libre se encuentra a partir de:

Con la condición inicial . La solución corresponde a la ecuación de la corriente libre, como:

Esta corriente decae en forma exponencial hasta cero en el momento t=t2, siempre y cuando t2>> L/R.

RECTIFIC

ADORES

MONOFÁSIC

OS DE M

EDIA

ONDA

Un rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente alterna en una señal unidireccional. El más sencillo de todos es el rectificador monofásico de media onda.

RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEDIA ONDA

Durante el medio ciclo positivo del voltaje de entrada, el diodo D1 conduce y el voltaje de entrada aparece a través de la carga. Durante el medio ciclo negativo, el diodo está en condición de bloqueo y el voltaje de salida es cero. Las formas de onda que se generan se ilustran en la figura.

RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEDIA ONDA

El rectificador de la figura tiene una carga resistiva pura igual a R. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el factor de utilización de transformación, (e) el voltaje inverso pico (PIV) del diodo D1 y (f) el valor CF de la corriente de entrada

EJEMPLO 1

El voltaje de salida promedio Vcd se define como:

Pero como vL(t) = 0 para T/2 <= t <= T :

EJEMPLO 1

Y como f = 1/T y ω = 2πf :

El valor medio cuadrático (rms) de una forma de onda periódica se define como:

Para un voltaje sinusoidal de valor vL(t) = Vmsenωt, 0<= t <= T/2:

EJEMPLO 1

(a) La eficiencia η = (0.318Vm)2/(0.5Vm)2 = 0.405

(b) El factor de forma FF = 0.5Vm/0.318Vm = 1.57

(c) El factor de componente ondulatoria RF = (1.572 – 1)1/2 = 1.21

Pcd = (0.318Vm)2/R

Pca = (0.5Vm)2/R

EJEMPLO 1

Una vez que ya tenemos estos valores podemos usar las fórmulas ya antes descritas para hallar lo que se solicita:

(d) El voltaje rms del secundario del transformador es:

Y el valor de la corriente del secundario es la misma que la carga:

EJEMPLO 1

Así: TUF = Pcd/(VsIs) = 0.3182/(0.707 x 0.5) = 0.286

(e) El voltaje de bloqueo inverso pico PIV = Vm

(f) Is(pico) = Vm/R e Is = 0.5Vm/R. El factor de cresta CF de la corriente de entrada es CF = Is(pico)/Is = 1/0.5 = 2

EJEMPLO 1

A diferencia de los anteriores, éstos rectifican ambos semiciclos de la señal de entrada. Para ello se puede usar un transformador con derivación central y dos diodos, o un transformador sin derivación central y cuatro diodos

RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA

Cuando se usa un transformador con derivación central cada mitad del transformador con un diodo asociado actúa como si fuera un rectificador de media onda. La salida aparece en la figura.

RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA

En cambio, con esta configuración, durante el medio ciclo positivo se suministra potencia a la carga a través de los diodos D1 y D2; mientras que para el medio ciclo negativo lo hacen D3 y D4. Cabe destacar que el voltaje de pico inverso de un diodo es sólo Vm.

RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA

El rectificador de la figura tiene una carga resistiva pura igual a R. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el factor de utilización de transformación, (e) el voltaje inverso pico (PIV) del diodo D1 y (f) el valor CF de la corriente de entrada

EJEMPLO 2

El voltaje de salida promedio Vcd se define como:

Pero para una onda senoidal se toma la mitad del periodo (puesto que si se toma todo el periodo Vcd = 0), así:

EJEMPLO 2

Y la corriente promedio de carga es:

El valor medio cuadrático (rms) de una forma de onda periódica se define como:

Así:

EJEMPLO 2

(a) La eficiencia η = (0.6366Vm)2/(0.707Vm)2 = 0.81

(b) El factor de forma FF = 0.707Vm/0.6366Vm = 1.11

(c) El factor de componente ondulatoria RF = (1.112 – 1)1/2 = 0.482

Pcd = (0.6366Vm)2/R

Pca = (0.707Vm)2/R

EJEMPLO 2

Una vez que ya tenemos estos valores podemos usar las fórmulas ya antes descritas para hallar lo que se solicita:

(d) El voltaje rms del secundario del transformador es:

Mientras que el valor rms de la corriente del secundario del transformador es:

EJEMPLO 2

Así: TUF = Pcd/(VsIs) = 0.63662/(2 x 0.707 x 0.5) = 0.5732

(e) El voltaje de bloqueo inverso pico PIV = 2Vm

(f) Is(pico) = Vm/R e Is = 0.707Vm/R. El factor de cresta CF de la corriente de entrada es CF = Is(pico)/Is = 1/0.707 =

EJEMPLO 2

Como se puede apreciar, el rendimiento de un rectificador de onda completa representa una mejoría significativa en comparación con el de un rectificador de media onda.

RECTIFIC

ADORES

MULTIFA

SE

Son q rectificadores monofásicos de media onda.

Las salidas contienen armónicas.

De la mayor salida de potencia de los rectificadores , aumenta la frecuencia fundamental de las armónicas, resultando q veces la frecuencia de la fuente.

Suponiendo una onda coseno desde hasta el voltaje promedio y el eficaz de la salida de un rectificador de q fases es :

Si la carga es resistivamente pura, la corriente de pico es de donde se puede obtener la corriente rms a través del diodo :

EJEMPLO 1.-

Un rectificador trifásico en estrella tiene una carga puramente resistiva con R ohms. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el factor de utilización del transformador, (e) el voltaje de pico inverso PIV de cada diodo, (f) la corriente pico a través del diodo, si el rectificador entrega a

Solución:

Para el rectificador trifásico q=3

La especificación en VA del transformador para q=3 es :

El voltaje de pico inverso de cada diodo es igual al valor pico de línea a línea en el secundario. El voltaje línea a línea es veces el voltaje de fase por lo que :

La corriente promedio de cada diodo es:

RECTIFICADORES TRIFÁSICOS EN PUENTE

Rectificador de onda completa.

Genera componentes ondulatorias de seis pulsos en la salida.

Cada diodo conduce durante 120°.

Una fuente en estrella trifásica el voltaje de salida es el voltaje de fase.

El voltaje promedio se encuentra:

Donde es el voltaje de fase pico.

Si la carga es puramente resistiva, la corriente pico a través del diodo es y el valor rms de la corriente es :

El valor rms de la corriente secundaria del transformador , es:

donde es la corriente de línea pico en el secundario.