electronica de potencia rashid 3ed cap 12

e A P TUL o 1 2Interruptores estticos

Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

Comprender la operacin y las caractersticas de los interruptores estticos y los relevadores micro-electrnicos (MER, de microelectronic relay)

Aprender los diversos tipos de interruptores estticos y MER.

12.1 INTRODUCCiN

Los tiristores que pueden activarse y des activarse en menos de unos pocos microsegundospueden funcionar como interruptores de accin rpida para sustituir los interruptores automti-cos mecnicos y electromecnicos. Para aplicaciones de cd con baja potencia, los transistoresde potencia tambin se pueden usar como interruptores. Los interruptores estticos tienen muchasventajas, como velocidades muy altas de conmutacin, no tienen partes mviles y no hay reboteen el contacto al cerrar.

Adems de las aplicaciones como interruptores estticos, los circuitos de tiristores (o tran-sistores) se pueden disear para dar un retardo, retencin y detecciones de corrientes y voltajesaltos y bajos. Los transductores para detectar seal mecnica, elctrica, de posicin, de proximidad,etc., pueden generar las seales de disparo o de control para los tiristores (o los transistores).

Los interruptores estticos se pueden clasificar en dos: 1) interruptores de ea y 2) interrupto-res de cd. Los interruptores de ea se pueden subdividir en a) monofsicos y b) trifsicos. Para losinterruptores de ea, los tiristores tienen conmutacin de lnea o natural, y la velocidad de conmu-tacin est limitada por la frecuencia de la fuente de ea y el tiempo de desactivacin de los tiris-tores. Los interruptores de cd tienen conmutacin forzada, y la velocidad de conmutacindepende de los tiempos de activacin y des activacin de los dispositivos.

12.2 INTERRUPTORES DE CA MONOFSICOS

En la figura 12.1a se presenta el diagrama elctrico de un interruptor monofsico de onda com-pleta, en el que se conectan los dos tiristores en paralelo inverso. El tiristor T1se dispara cuandolt =\)'j e\ fulstor T2 se Ifu.~ara cuando eot = 'tt.E\ vo\ta)e de sa\ida es igual que e\ o\ta)e de entra-da. Los tiristores funclonan como interruptores, 'j estn conmutados por la lnea. Las formas deonda de los voltajes de entrada y de salida, y de la corriente de salida, se ven en la figura 12.1b.

551

(12.1)

552 Captulo 12 Interruptores estticos

i.

+ + io

Vs VORL

O wt

(a) Circuito

oF-----~r---------J~--wt

o I----I'-------\,------'---r- wt

glI

O I----LL-------f"------'- ....wtg2

I

O~------~------(e) Formas de onda para carga inductiva

FIGURA 12.1

Interruptor de ea monofsica con tiristor.

OF------\------t--- wt"!TI

IIII________ ...1 _

. Ilo I

III

-Vrn

VrnRL01'-------'1,,.------+-- wt

I Pulso de disparo de TIII

Con una carga inductiva, el tiristor TI debera disparar despus del medio ciclo positivodel voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero, y el tiristor T2 debera disparar despusdel medio ciclo negativo del voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero. Los pulsos dedisparo para TI y T2 se ven en la figura 12.1c. En lugar de dos tiristores, se puede usar un TRIAC,como se ve en la figura 12.2.

Si la corriente instantnea de lnea es is(t) = 1m sen wt, la corriente rms de lnea es

o I-L-----...l.-----.....LJ~ wtg2 Pulso de disparo de 1'2

I

o ~(b) Formas de onda para carga resistiva

[2 r ]112

L, = 2'TrJo l;"sen2wtd(wt)

Ya que cada tiristor conduce corriente slo durante medio ciclo, la corriente promedio en cadatiristor es

11"lA = - 1m sen wt d(wt)2'Tr O (12.2)

TR

+ +

v

12.2 Interruptores de ea monofsieos 553

FIGURA 12.2

Interruptor de ea monofsica con TRIAC.

y la corriente raz cuadrtica media (rms) de cada tiristor es

1R = [2~ 1'"I~ sen2 wt d( wt) r12 1; (12.3)El circuito de la figura 12.1a se puede modificar, como se ve en la figura 12.3a, donde los dostiristores tienen un ctodo comn, y las seales de disparo tienen una terminal comn. El tiristorTI y el diodo DI conducen durante el medio ciclo positivo, y el tiristor T2 y el diodo D2 conducendurante el medio ciclo negativo.

Un puente rectificador de diodos y un tiristor TI, tal como se ven en la figura 12.4a, puedenhacer la misma funcin que los de la figura 12.1a. La corriente por la carga es ea, y por el tiristorTI es cd. Un transistor puede sustituir al tiristor TI' A la unidad formada por el transistor (o el ti-ristor, o el tiristor apagado por compuerta [GTO]) y el puente rectificador se le llama interruptorbidireccional.

Puntos clave de la seccin 12.2 Los interruptores se activan cuando el voltaje de entrada cruza por cero. La operacin del circuito es parecida a la del controlador monofsico de voltaje de ea, con

un ngulo de retardo C( = O.

+

(a) Circuito

FIGURA 12.3

Interruptor de ea monofsica con puente de diodos y tiristores.

1

o f------\-----~r_~ wt'TTI

1111111 1

Pulso de disparo d~ TI1,1

1-1------;-1 J....L~wt1

Pulso de disparo de 1'2

o '-- --U'-- ~ wt(b) Formas de onda

554 Captulo 12 Interruptores estticos

7T1

IIII-v ---------+---m I

g1 Pulsos de disparo de TI

O~--------4r--------~~wt+ +

I

o u...... ....... --'--L+- wt(a) Circuito (b) Formas de onda

FIGURA 12.4

Interruptor de ea monofsica con puente rectificador y tiristor.

12.3 INTERRUPTORES DE CA TRIFSICOS

El concepto de conmutacin de ea monofsica se puede ampliar a las aplicaciones trifsicas. Sepueden conectar tres interruptores monofsicos como el de la figura 12.1a para formar un in-terruptor trifsico, como se ve en la figura 12.5a. Las seales de disparo para los tiristores y lacorriente por TI se muestran en la figura 12.5b. La carga se puede conectar en Y o en delta.

Para reducir la cantidad y los costos de los tiristores, tambin se pueden usar un diodo y untiristor para formar un interruptor trifsico, como se ve en la figura 12.6. En el caso en que se co-necten dos tiristores "espalda con espalda" existe la posibilidad de detener el flujo de corrientecada medio ciclo (por ejemplo 8.33 ms para un suministro de 60 Hz). Sin embargo, con un diodoy un tiristor, el paso de la corriente slo se puede detener cada ciclo del voltaje de entrada, y sevuelve lento el tiempo de reaccin (por ejemplo, 16.67 ms para una fuente de 60 Hz).

Punto clave de la seccin 12.3

La operacin del circuito se parece a la del controlador trifsico de voltaje de ea con unngulo de retardo a = O.

12.4 INTERRUPTORES TRIFSICOS REVERSIBLES

Se puede tener la inversin de la potencia trifsica suministrada a una carga agregando dos inte-rruptores monofsicos ms al interruptor trifsico de la figura 12.5a. Esto se ve en la figura12.7. En la operacin normal, los tiristores T7 a TlO se desactivan con inhibicin (o supresin) depulsos de compuerta y se activan los tiristores TI a T6. La lnea A alimenta a la terminal a, la l-nea B a la terminal b y la lnea e a la terminal c. En la operacin de inversin de fase, los tiristo-res T2, T3, T5 Y T6 se desactivan por inhibicin de pulso de compuerta y los tiristores T7 a TlO sonoperativos. La lnea B alimenta a la terminal c y la lnea e alimenta a la terminal B, siendo estouna inversin de fase del voltaje aplicado a la carga. Para obtener la inversin de fase, todos los

12.4 Interruptores trifsicos reversibles 555

A r---------------~a

B

C b

(a) Circuito

wtg2

O wtg3

O wt~

O wt

gs

O wt

&;

O wti

L-------~~------~--------~--------~wt2'1T

(b) Formas de onda'1T

e

FIGURA 12.5

Interruptor de ea trifsica con tiristor.

556 Captulo 12 Interruptores estticos

DI

Aa

D2

B

FIGURA 12.6 D3e

Interruptor de ea trifsica con diodo y tiristor. e b

A

B

e

a

b

e

FIGURA 12.7

Interruptor reversible de eatrifsica con tiristor.

dispositivos deben ser tiristores. No se puede usar una combinacin de tiristores y diodos, comola de la figura 12.6 porque sucedera un cortocircuito de fase a fase.

Punto clave de la seccin 12.4 Se pueden conectar y disparar cinco pares de tiristores para producir una inversin de

fase en una carga trifsica.

12.5 INTERRUPTORES DE CA PARA TRANSFERENCIA DE CANAL

Se pueden usar los interruptores estticos para transferir canales de distribucin de una fuente aotra. En un sistema prctico de suministro, a veces se requiere cambiar la carga de la fuente normal

12.6 Interruptores de cd 557

+ + +

T~VI

FIGURA 12.8

Interruptor monofsico para transferencia de canal.

b

a

FIGURA 12.9

Interruptor trifsico para transferencia de canal.

a una fuente alternativa, en caso de 1) no disponibilidad de la fuente normal, 2) condiciones debajo voltaje o alto voltaje en la fuente normal. La figura 12.8 muestra un interruptor monofsicode transferencia de canal. Cuando funcionan los tiristores TI y T2, la carga se conecta con lafuente normal, y para transferir a una fuente alternativa, los tiristores T y T son operativos,mientras que TI y T2 se des activan por inhibicin de seal a compuerta. En la figura 12.9 semuestra la ampliacin de la transferencia de canal monofsica a transferencia de canal trifsica.

Punto clave de la seccin 12.5

Dos o ms pares de tiristores se pueden conectar espalda con espalda para transferir cana-les de una fuente a otra. Este tipo de transferencias se usa en caso de pasar la carga a una ovarias fuentes alternativas de suministro.

12.6 INTERRUPTORES DE CD

En el caso de los interruptores de cd, el voltaje de entrada es de cd, y se pueden usar transistoresde potencia, tiristores de conmutacin rpida o GTo. En la figura 12.10 se ve un interruptor tran-sistorizado de un polo, con una carga resistiva, y en caso de una carga inductiva, se debe conectar

558 Captulo 12 Interruptores estticos

FIGURA 12.10

Interruptor de un polo para cd con transistor.

@ Alternador Motor de arranque

FIGURA 12.11

++

Fuentede cd Vs

~

gVoltaje deexcitacin

O t de base

~f----T : : A las cargas de 42 volts

--L..r- 1----T Cajas de distribucin

L- __ ----' con interruptoresy fusibles

~-~CD=O ~r---CD 14V f---.-------i T : A cargas de 14V42V + --L..r- 1-----Convertidor -=- 14V T

cd/cd 1-

Sistemas de energa en automviles con 42 V [Ref. 6].

un diodo (indicado por la lnea interrumpida) en paralelo con la carga, para proteger al transistordel voltaje transitorio durante la desactivacin. Tambin, los interruptores de un polo se puedenaplicar para transferir canales de una fuente a otra.

La demanda de potencia de los vehculos automotores est en constante aumento [3]. Lasrazones de ello se debe a la inclusin de funciones nuevas, como calentamiento de parabrisas yprecalentamiento de los convertidores catalticos, y tambin hay razones financieras como lareduccin del consumo de gasolina y la reduccin de emisiones. La electrnica de potencia en-cuentra aplicaciones potenciales para la conversin de potencia, as como para los interruptoresestticos, en la industria automotriz. La figura 12.11 muestra el diagrama de bloques de un siste-ma elctrico de 42 V con salidas de 42 Vy de 14V. El convertidor cd-cd baja el voltaje de 42 a 14V,Y los interruptores de transistor de efecto de campo de metal xido serniconductor (MOSFET)conectan las cargas a las fuentes de 42 o de 14 V. Debido a sus ventajas inherentes como disposi-tivo controlado por voltaje y su mnima corriente de compuerta, los MOSFET de potencia seusan cada vez ms en aplicaciones como interruptores estticos. La figura 12.12 muestra un inte-rruptor MOSFET de canal N. La introduccin de los sistemas elctricos adicionales de 42 V enla industria automotriz abre oportunidades al uso de semiconductores de potencia. Los sistemaselectromecnicos estn sustituyendo a los mecnicos, por ejemplo, en las bombas mecnicas deagua y en las direcciones hidrulicas.

Interruptores inteligentes de potencia. A medida que la microelectrnica tiene cada vezms aplicaciones, en especial en las tecnologas de auto matizacin y automotriz, se pide mayor

12.6 Interruptores de cd 559

+ VDD

Carga

+V Seal lgica

Comp.

ENT

FIGURA 12.12

R en serie(si es necesaria)

Interruptor de potencia MOSFET de canal N.

rendimiento a los interruptores de potencia. En muchos casos esos requisitos ya no pueden satis-facerse con soluciones electromecnicas convencionales. Los ejemplos son un circuito integradode activacin inteligente para transistores de potencia as como una variedad de interruptoresinteligentes de potencia. La regla es que se requieren interruptores en el lado de alta potenciapara cargas conectadas a tierra. La figura 12.13 muestra el diagrama de bloques de un interrup-tor inteligente de potencia, que incluye todas las funciones internas [4].

Interruptores de tiristor. Los interruptores de tiristor son ms adecuados para aplica-ciones con alto voltaje y alta corriente, que salen del campo de las capacidades de transistores. Unavez activado un tiristor, debe desactivarse por conmutacin forzada. Sin embargo, los GTO se pue-den desactivar por control de compuerta.

Si se usan tiristores con conmutacin forzada, el circuito de conmutacin es parte integraldel interruptor, y en la figura 12.14' se muestra un interruptor de cd para aplicaciones de altapotencia. Si se dispara el tiristor T3,se carga el capacitor e a travs de la fuente Vs, L y T3'Lacorriente de carga i y el voltaje del capacitor ve se pueden expresar como sigue:

i(t) = Vs.jf sen wt (12.4)y

Ve(t) = Yr(l - cos wt) (12.5)

donde co = l/VLC. Pasado el tiempo t = to = 'ITVLC,la corriente de carga se vuelve cero y elcapacitor queda cargado a 2Vs' Si el tiristor TI conduce y suministra potencia a la carga, el tiris-tor T2 dispara para desactivar a TI' El tiristor T3 es autoconmutado. Al disparar T2, el capacitare produce un pulso resonante que pasa por el capacitar e,el inductor L y el tiristor T2. Al aumen-tar la corriente de resonancia, se reduce la corriente por el tiristor TI' Cuando la corriente de re-sonancia aumenta hasta llegar a la corriente de carga h, la corriente del tiristor TI baja a cero yel tiristar TI se desactiva. El capacitor descarga su carga residual a travs de la resistencia de car-ga, RL. El tiristor T2 es autoconmutado. Cuando la carga es inductiva, es necesario un diodo decorrida libre, Dm, conectado en paralelo con la carga. El capacitor se debe descargar por completoen cada accin de conmutacin, y se puede evitar que haya un voltaje negativo en el capacitor

15,

1,

4 ST 1, Deteccin'1 oo~~~ 1

~------- __ -- __ ~N:N;dese~-I----------:::::::g~

560 Captulo 12 Interruptores estticos

ESD LgicaCarga

(a) ) Bloques funcionales

1- - - - - - -- - - - - - - -- - - - - - - - - -IVBB

1111111,* 1.-----4.....,......,

ENT.

v,"'ll~~~GND

Carga

(b) Controlador de voltaje

FIGURA 12.13

- - -- - - - - - - -- -- - - - -- - - -- - -IVBB

1GND

Carga

(e) Controlador de corriente

Diagrama de bloques de un interruptor para un canal [Ref. 4). (Cortesa de Siemens Semiconductor Group, Alemania).

conectando un resistor y un diodo, como muestra la figura 12.14 en lnea interrumpida. No es muyfcil des activar circuitos de cd, y los interruptores estticos de cd requieren circuitos adicionalespara des activarse.

Se pueden aplicar interruptores de cd para controlar el flujo de potencia en aplicacionescon muy alto voltaje y alta corriente (por ejemplo, reactores de fusin) [1] y tambin se puedenusar como disyuntores de accin rpida [2]. En lugar de transistores, se pueden usar GTo. UnGTO se activa aplicando un pulso positivo corto a su compuerta, en forma parecida a los tiristoresnormales; sin embargo, un GTO se puede desactivar aplicndole un pulso negativo corto a su com-puerta, y no requiere circuito alguno de conmutacin. En la figura 12.5 se muestra un interruptorGTO de un polo.

12.7 Relevadores de estado slido 561

+

Alimentacinde cd Vs

IIIIIIII

DrntIIIIIIIII

FIGURA 12.14

Interruptor de cd de un polo con tiristor.

+

AlimentacinVs de cd

Punto clave de la seccin 12.6

+

FIGURA 12.15

Interruptor de cd de un polo con GTO.

Los dispositivos semiconductores de potencia, como BJT, IGBT, MOSFET, GTO y tiristores,se pueden operar como interruptores de cd y tambin sustituir a los interruptores electro-mecnicos.

12.7 RELEVADORES DE ESTADO SLIDO

Los interruptores estticos de pueden usar como relevadores de estado slido (SSR, de solid-statere/ay), para controlar potencia de ea o de cd. Los SSR se usan en muchas aplicaciones, en controlindustrial (por ejemplo, control de cargas de motor, transformadores, calefaccin con resistencias)para reemplazar los relevado res electromecnicos. Para las aplicaciones con ea se pueden usartiristores o TRIAC, y para aplicaciones con cd se usan transistores. En el caso normal, los SSR seaslan elctricamente entre el circuito de control y el circuito de carga mediante un relevador tiporeed (o de lengeta o de lminas), un transformador o un optoacoplador.

La figura 12.16 muestra dos circuitos bsicos de SSR para cd, uno con aislamiento de releva-dor tipo reed y el otro con un optoacoplador. Aunque el circuito monofsico de la figura 12.1a sepuede operar como SSR, lo normal es usar el circuito de la figura 12.2 con un TRIAC. La figura12.17 muestra SSR, uno con relevador tipo reed, otro con aislamiento de transformador y unocon optoacoplador. Si las necesidades de la aplicacin demandan tiristores para altos valores depotencia, tambin se puede usar el circuito de la figura 12.1a para operar un SSR, aun cuando au-mentara la complejidad del circuito de disparo.

562 Captulo 12 Interruptores estticos

+ + + +vo

R.RL vo eleva or deV, V, lminas-1

1 Alimentacin1 deed11

JlLgJ- -=----ti -.O 1 --.

1

1 L_--!I!-----o

(a) Optoacoplador (b) Aislamiento con relevador de lminas

FIGURA 12.16

Relevadores de estado slido para ed.

Punto clave de la seccin 12.7

Los relevadores de estado slido (SSR) se usan en muchas aplicaciones, en control industrial,para sustituir a los relevadores electromecnicos. En el caso normal se aslan elctricamenteentre el circuito de control y la carga.

+ + + +

vov;

RL

v, v,Alimentacin

TRl deca

(a) Aislamiento mediante relevador de lminas (b) Aislamiento por transformador

+ +

v

(e) Aislamiento por optoacoplador

FIGURA 12.17

Relevadores de estado slido para ea.

12.8 RELEVADO RES MICROELECTRNICOS

12.8 Relevadores microelectrnicos 563

Los MER son sustitutos de estado slido, normalmente abiertos, de relevadores electromecnicospara conmutacin general de seales analgicas [5]. Hay dos tipos: 1) relevadores fotovoltaicos y2) aisladores fotovoltaicos. Usan MOSFET de potencia o transistores bipolares de compuertaaislada (IGBT) en el lado de entrada.

Un generador fotovoltaico econmicamente asequible y bastante compacto (PVG, dephotovoLtaic generator) slo produce una salida dbil. Un PVG prctico puede generar variosvolts a circuito abierto, pero slo microamperes de corriente de salida. La salida del PVG se usapara activar un MOSFET. Un MOSFET de potencia moderno slo requiere de algunos volts deseal para tener conduccin total, pero requiere en esencia cero corriente de estado estable. Slose requiere energa transitoria para cargar la capacitancia de compuerta para activar al MOSFETy sostener su conduccin. Una corriente de carga de slo algunos microamperes puede activarun MOSFET tpico en una pequea fraccin de milisegundo, respuesta rpida en relacin conlos tiempos de conmutacin electromecnicos. Por consiguiente, se usa el generador fotovoltaicoen conjunto con una compuerta de metal xido semiconductor (MOS). Los tiristores y los tran-sistores bipolares requieren demasiada corriente de activacin, y en el caso normal no se usan enlos MER.

12.8.1 Relevador fotovoltaico

La figura 12.18a muestra el esquema de un relevador fotovoltaico (PVR, de photovoLtaic re/ay).El diodo emisor de luz (LED) que forma el aislamiento electro ptico energiza un PVG formado

PVGMOSFETbidireccional

LED

~ntwtf ~ :R1

2 Topologa - LED + PVG +MOSFET bidireccional(a) Esquema

CAoCD

(e) Dos MOSFET

FIGURA 12.18

Relevador fotovoltaico (5).

nodo2 + - 8 Drenaje

Salida AC/DC

Ctodo3 - 5 Drenaje

(b) Smbolo simplificado

14 8

(d) Dos IGBT

564 Captulo 12 Interruptores estticos

por una conexin en serie de uniones pn de silicio. A su vez, la seal del PVG activa a un dispo-sitivo bidireccional de MOSFET. El smbolo se ve en la figura 12.18b.

Un LED puede controlar ms de un dispositivo, como se ve en la figura 12.18c donde haydos MOSFET, y en la figura 12.18d, con IGBT. Los parmetros de operacin de los relevadoresfotovoltaicos son ideales para conmutar cargas de seal de bajo nivel en instrumentacin y ad-quisicin de datos, hasta cargas de potencia intermedia en controles industriales y en automati-zacin de procesos (es decir, desde microvolts hasta 400 V (ea pico o cd), y desde microampereshasta 4.5 A de corriente en la carga, con una resistencia de contactos tan baja como 40 mfl, LosPVR superan las limitaciones de los relevadores tanto convencionales como de lminas ofre-ciendo las ventajas del estado slido, de larga duracin, alta velocidad de operacin, bajo consu-mo de potencia, operacin sin rebotes, entrada no inductiva, insensibilidad a la posicin y a loscampos magnticos, resistencia extrema al choque y a las vibraciones, bajos voltajes de derivatrmica y paquetes en miniatura para sus aplicaciones, como son control de procesos, rnultiplexa-do, equipo automtico de pruebas y adquisicin de datos.

+200mAr-----------~----------~----------,_--------_r~

+lOOmAMOSFETbidireccional

o

+50mA

':"'50mA

. -lOOmA

-200mA LL -'--- -'-- -'- --'-l.OV -O.5V o +O.5V +l.OV

FIGURA 12.19

Caractersticas de la salida del MOSFET bidireccional y TRIAC [Ret.5].

12.8 Relevadores microelectrnicos 565

Comparacin de salidas de MOSFET, tiristor o transistor bipolar de unin (BJT). La tec-nologa MOS proporciona una analoga mucho mejor a un interruptor electromecnico ideal quela analoga de tiristor o de transistor bipolar que se usa en forma dominante como contactos desalida de los relevadores de estado slido (SSR). En comparacin con los tiristores, el MOSFETtiene una resistencia lineal en estado activo, en lugar de un umbral de 0.6 V en conduccin ensentido directo, como se ve en la figura 12.19. Una conexin en serie inversa de dos MOSFET,como se ve en las figuras 12.18c y 12.18d, puede conmutar cd o ea a frecuencias definitivamentedentro del intervalo de las radiofrecuencias (RF). En comparacin con los transistores bipolares,los MOSFET tienen menores voltajes en estado activo, mucho menores corrientes de fuga en esta-do inactivo, y lo ms importante es que tienen en esencia una ganancia esencialmente infinita decorriente en sentido directo (es decir, los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje).

Los dispositivos de MOSFET tienen limitaciones en aplicaciones de control de alta poten-cia de ea, donde las caractersticas de los tiristores son adecuadas. As, los PVR sustituyen a la sali-da de los SSR en aplicaciones donde se requiere conmutacin rpida de seales desde microvoltshasta varios cientos de volts, sea de polaridad cd o ea, hasta el intervalo de radiofrecuencias. Seha acostumbrado el uso de relevadores de lminas y cpsula en estas aplicaciones. Los PVR pue-den proporcionar un equivalente funcional del relevador de lminas y tener las ventajas de laimplementacin del estado slido.

12.8.2 Aisladores fotovoltaicos

Un aislador fotovoltaico (PI, de photovoltaic iso/ator), como el de la figura 12.20, usa una conexinde fotodiodos en serie, como fotorreceptor para formar un PVG aislado. En realidad, este tipo deaislador transforma la energa que cruza la barrera del aislamiento y crea una fuente aisladade voltaje. Los PI usan PVG de circuito integrado monoltico como salidas. Esas salidas se con-trolan con la radiacin de un LED, que est pticamente aislado del PVG. Son ideales para apli-caciones donde se requiera conmutacin de alta corriente o alto voltaje con aislamiento pticoentre los circuitos activadores de bajo nivel y los circuitos de carga para alta energa o alto volta-je. Esos dispositivos se pueden usar para activar en forma directa las compuertas o de MOSFETo IGBT de potencia discretos, permitiendo a los diseadores la flexibilidad de formar suspropios relevado res de estado slido, a la medida, capaces de controlar cargas a bastante ms de1000 V Y100 A.

LED

+ Generador fotovoltaico

II

FIGURA 12.20

Fotoaislador.

566 Captulo 12 Interruptores estticos

LED

TIpos deo::: fotorreceptoresUCIl

FIGURA 12.21

Dispositivo fotoaislado [5].

Comparacin de PI y fotoacopladores. El transistor bipolar fotoaislado (en la figura12.17b) Ylos SSR tipo tiristor usan aisladores del tipo fotoconductor, como se ve en la figura 12.2l.Esos fotoaisladores (llamados tambin fotoacopladores) reciben radiacin ptica de un LEDdielctricamente aislado. Esta radiacin modula la conductividad del fotorreceptor, que puedeser un resistor (celda de sulfuro de cadmio), un diodo, un transistor, un transistor Darlington oun tiristor. La mayor conductividad permite que pase una corriente a travs de la resistencia decarga RL.

Punto clave de la seccin U.S

Los MER son sustitutos de estado slido, normalmente abiertos, de los relevadores elec-tromecnicos para conmutacin de propsito general de pequeas seales analgicas. Sonde dos tipos: a) relevadores fotovoltaicos y b) aisladores fotovoltaicos. Pueden contenerMOSFET o IGBT.

12.9 DISEO DE INTERRUPTORES ESTTICOS

Los interruptores estticos se consiguen en el comercio con especificaciones limitadas de voltaje ycorriente, hasta de 440 V Yde 1 a 50 A. Si es necesario disear los SSR para cumplir con requisitosespecficos, el diseo es sencillo y requiere determinar las especificaciones de voltaje y corrientede los dispositivos semiconductores de potencia. Se ilustrarn los procedimientos de diseo condos ejemplos

Ejemplo 12.1 Determinacin de las especificaciones de un interruptor monofsico para ea

Se usa un interruptor monofsico de ea con la configuracin de la figura 12.1a entre una fuente de 120 V,60 HzYuna carga inductiva. La potencia de carga es 5 kW a un factor de potencia (FP) de 0.88 en retraso. Determi-nar a) las especificaciones de voltaje y corriente de los tiristores y b) los ngulos de disparo de los tiristores.

Referencias 567

SolucinPo = 5000 W, PF = 0.88, YVs = 120 V.

R. La corriente pico por la carga es 1m = V2 X 5000/(120 X 0.88) = 66.96 A. De acuerdo con la ecua-cin (12.2), la corriente promedio es lA = 66.96I7r = 21.31 A, Yde la ecuacin (12.3) la corriente rmses IR = 66.96/2 = 33.48 A. El voltaje pico inverso es (PIV) = V2 X 120 = 169.7 V.

b. cos e = 0.88, Yentonces e = 28.36. As, el ngulo de disparo de TI es al = 28.36 Ypara el tiristorT2 es 0.2 = 180 + 28.36 = 208.36.

Ejemplo12.2 Determinacin de las especificaciones del tiristor en un interruptordeeatrifsica

Se usa un interruptor de ea trifsica, con la configuracin de la figura 12.5a, entre una fuente trifsica de 440V, 60 Hz, y una carga trifsica conectada en Y. La potencia de la carga es 20 kW a un FP de 0.707 en retraso.Determinar las especificaciones de voltaje y de corriente de los tiristores.

SolucinPo = 20,000 W, FP = 0.707 V, VL = 440 V YVs = 440/V3 = 254.03 V. La corriente de lnea se calcula conla potencia, como sigue:

I = 20,000 = 37.119 As V3 X 440 X 0.707

La corriente pico de un tiristor es 1m = V2 X 37.119 = 52.494 A. La corriente promedio de un tiristor eslA = 52.494/'r = 16.71 A. La corriente rms de un tiristor es IR = 52.494/2 = 26.247 A. El PIV de un tiristores = V2 X 440 = 622.3 V.

Punto clave de la seccin 12.9

El diseo de un interruptor esttico requiere calcular las especificaciones de voltaje y co-rriente de los dispositivos de potencia.

RESUMEN

Los interruptores de estado slido para ea y cd tienen varias ventajes sobre los interruptores yrelevadores electromecnicos convencionales. Los avances en los dispositivos semiconductoresde potencia y los circuitos integrados permiten usar los interruptores estticos en una ampliagama de aplicaciones de control industrial. Se pueden interconectar los interruptores estticos consistemas de control digital o computarizado. Los MER que usan un PVG se usan en aplicacionesde conmutacin de cargas de seal de bajo nivel, en instrumentacin y adquisicin de datos hastacon cargas de potencia intermedia, en controles industriales y en automatizacin de procesos.

REFERENCIAS

[1] W. F. Praeg, "Detailed design of a 13-kA, 13-kV De solid sta te turn-off switch," IEEE Industry Appli-cations Conference Record, 1985, Pgs. 1221-1226.[2] P. F. Dawson, L. E. Lansing y S. B. Dewan, "A fast de current breaker," IEEE Transactions on IndustryApplications, Vol. IA21, No. 5,1985, Pgs. 1176--1181.

568 Captulo 12 Interruptores estticos

[3] A. Graf, D. Yogel, J. Gantioler y F. Klotz, Intelligent Power Semiconductors for Future AutomotiveElectrical Systems, 17" Reunin "Elektronik im Kraftfahrzeug", Munich, 3-4 de junio de 1997, Pgs. 1-14.www.infineon.com

[4] PROFET: Functional Description and Applications Notes, Siemens Semiconductor Group, Munich,Alemania, 4 de marzo de 1997. www.infinieon.com[5] Micro Electronic Relay: Designer's Manual, International Rectifier, El Segundo, CA, 2000. www.irf.com[6] 1.G. Kassakian, 1.H. Miller y N. Traub, Automotive electronics power up. The IEEE Spectrum, mayo de2000, Pgs. 34-39.

PREGUNTAS DE REPASO

U.l Qu es un interruptor esttico?U.2 Cules son las diferencias entre los interruptores de ea y de cd?U.3 Cules son las ventajas de los interruptores estticos sobre los interruptores mecnicos o electro-

mecnicos?U.4 Cules son las ventajas y desventajas de los interruptores para ea con tiristor en paralelo inverso?U.S Cules son las ventajas y desventajas de los interruptores TRIAC para ca?U.6 Cules son las ventajas y desventajas de los interruptores con diodo y tiristor para ea?U.7 Cules son las ventajas y desventajas de los interruptores de puente rectificador y tiristor para ca?U.8 Cules son los efectos de la inductancia de carga sobre los requisitos de disparo de los interruptores

de ea?U.9 Cul es el principio de operacin de los SSR?U.lO Cules son los mtodos para aislar el circuito de control del circuito de carga de los SSR?U.11 Cules son los factores que intervienen en el diseo de los interruptores de cd?U.U Cules son los factores que intervienen en el diseo de los interruptores de ea?U.13 Qu tipo de conmutacin requieren los interruptores de cd?U.l4 Qu tipo de conmutacin requieren los interruptores de ca?U.lS Qu es un relevador microelectrnico?U.l6 Cules son las ventajas y las limitaciones de un re levador microelectrnico?U.l7 Qu es un relevador fotovoltaico?U.l8 Qu es un aislador fotovoltaico?

PROBLEMAS

U.l Se usa un interruptor de ea monofsica con la configuracin de la figura 12.1 entre una fuente de 120Y, 60 Hz Y una carga inductiva. La potencia de la carga es 15 kW, a un factor de potencia de 0.90 enretraso. Determine las especificaciones de voltaje y de corriente de los tiristores.

U.2 Determine los ngulos de disparo de los tiristores TI y T2, en el problema 12.1.U.3 Un interruptor de ea monofsica con la configuracin de la figura 12.3a se usa entre una fuente de 120

Y, 60 Hz Y una carga inductiva. La potencia de carga es 15 kWa un factor de potencia de 0.90 en retra-so. Determine las especificaciones de voltaje y corriente de los diodos y los tiristores.

U.4 Se usa un interruptor de ea monofsica, con la configuracin de la figura 12.4a, entre una fuente de120 Y, 60 Hz y una carga inductiva. La potencia de carga es 15 kW a un factor de potencia de 0.90 enretraso. Determine las especificaciones de voltaje y corriente del tiristor y los diodos en el puente rec-tificador.

U.S Determine los ngulos de disparo del tiristor TI en el problema 12.4.U.6 Se usa un interruptor de ea trifsica, con la configuracin de la figura 12.5a, entre una fuente trifsica

de 440 Y, 60 Hz y una carga trifsica conectada en Y. La potencia de la carga es 20 kW a un factor depotencia de 0.86 en retraso. Determine las especificaciones de voltaje y corriente de los tiristores.

U.7 Determine los ngulos de disparo de los tiristores en el problema 12.6.

Problemas 569

U.8 Repita el problema 12.6 para una carga conectada en delta.U.9 Un interruptor de ea trifsica, con la configuracin de la figura 12.6, tiene una fuente trifsica de 440 V,

60 Hz y una carga trifsica conectada en Y. La potencia de la carga es 20 kW a un factor de potenciade 0.86 en retraso. Determine las especificaciones de voltaje y corriente de diodos y tiristores.

12.10 El interruptor de cd de tiristor, en la figura 12.14, tiene una resistencia de carga RL = 5 n,voltajecd de alimentacin Vs = 220 V, inductancia L = 40 J-LHY capacitancia e = 40 J-LF.Determine a) lacorriente pico por el tiristor T3, y b) el tiempo requerido para reducir la corriente del tiristor TI des-de el valor de estado permanente hasta 1.0 A.

12.11 En el problema 12.10, determine el tiempo necesario para que el capacitor se descargue de 2Vs hastacero, despus del disparo del tiristor T2.

U.U El interruptor de cd con tiristor de la figura 12.14 tiene una resistencia de carga RL = 2 n,voltaje desuministro Vs = 220 V, inductancia L = 40 J-LHYcapacitancia e = 80 J-LF.Si se opera el interruptor auna frecuencia de 60 Hz, determine a) las corrientes pico, rms y promedio de los tiristores T, T2 Y T3,Y b) la especificacin de corriente rms del capacitor C.

U.13 Para el problema 12.12, determine el tiempo requerido para que se descargue el capacitor desde 2Vshasta 1.0 A despus de disparar el tiristor T2.