SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Los semiconductores de potencia se han extendido durante las últimas décadas a una amplia gama de aplicaciones. Esta extensión ha sido consecuencia del continuo y rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores de potencia, que ha conseguido dispositivos muy potentes, efectivos y fáciles de usar. Se diseñaron pero también se discutieron aspectos del diseño y optimización de los chips y se expusieron diversas consideraciones para la aplicación de diversas clases de dispositivos, especialmente los IGBT e IGCT. La continua optimización del silicio ha acercado cada vez más los rendimientos a los límites físicos y tecnológicos. El resultado de ello es que, dejando aparte la posibilidad de que surjan avances radicalmente nuevos, el potencial de nuevas mejoras en este aspecto del diseño está disminuyendo. Los encapsulados para dispositivos de semiconductores, sin embargo, aún tienen un potencial considerable para impulsar el rendimiento. Por consiguiente, este artículo profundiza en este aspecto. Hoy día, casi todos los semiconductores de potencia comerciales se basan por completo en el silicio. Mirando al futuro, este artículo discute el potencial de los llamados materiales de “amplio salto de banda”, como el carburo de silicio, el nitruro de galio y el diamante.

Aplicaciones del SCRLas aplicaciones de los tiristores se extienden desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna. La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes:

· Controles de relevador. · Circuitos de retardo de tiempo.

· Fuentes de alimentación reguladas.

· Interruptores estáticos. · Inversores

· Controles de motores.

Ventajas

Requiere poca corriente de gate para disparar una gran corriente directa Puede bloquear ambas polaridades de una señal de A.C. Bloquea altas tensiones y tiene caídas en directa pequeñas

Desventajas

El dispositivo no se apaga con Ig=0 No pueden operar a altas frecuencias Pueden dispararse por ruidos de tensión Tienen un rango limitado de operación con respecto a la temperatura

Se puede decir……Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado.Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

EJEMPLOS PRACTICOS DE APLICACION CON TRIAC.

CONTROL DE MOTOR

En la siguiente figura puede verse una aplicación práctica para el control de

un motor de C.A. mediante un triac. La señal de control (pulso positivo) llega desde

un circuito de mando exterior a la puerta inversora, que a su salida proporciona un

0 lógico por lo que circulará corriente a través del diodo emisor perteneciente al

MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir

al FOTOTRIAC a través de R2 tomando la tensión del ánodo del triac de potencia.

Este proceso produce una tensión de puerta suficiente para excitar al triac principal

que pasa al estado de conducción provocando el arranque del motor.

Debemos recordar que el triac se desactiva automáticamente cada vez que la

corriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesario

redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la señal de control

activada durante el tiempo que consideremos oportuno.

Como podemos apreciar, entre los terminales de salida del triac se sitúa una red RC

cuya misión es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas

que se puedan producir por las corrientes inductivas de la carga, evitando además

cebados no deseados.

Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador

de calor, de forma que el semiconductor se refrigere adecuadamente.

CONTROL DE ILUMINACIÓN PARA LÁMPARAS (DIMMER)

Aplicaciones adicionales

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.  Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas

ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.  Funciona como interruptor electrónico y también a pila. Se utilizan TRIAC de baja potencia en muchas aplicaciones como

atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de corriente alterna.

Características generales y aplicaciones

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del TRIAC, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuitorepresentado en la Figura 2, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

Otras diferentes aplicaciones de este dispositivo semiconductor son:

Se emplean en circuitos que realizan un control de fase de la corriente de un TRIAC

Estos sistemas se utilizan en control de iluminación con intensidad variable

Calefacción eléctrica con regulación de temperatura

Control de velocidad en motores

Variador de velocidad.

Un variador de C.A. Es un dispositivo utilizado para controlar la velocidad de rotación de un motor de C.A. o de inducción. Este tipo de motores también se conocen como motores asíncronos o en jaula de ardilla.

El variador de velocidad se coloca entre la red y el motor. El variador recibe la tensión de red a la frecuencia de red (50Hz) y tras convertirla y después ondularla produce una tensión con frecuencia variable. La velocidad de un motor va prácticamente proporcional a la frecuencia.

Además de cambiar la frecuencia, el variador también varía el voltaje aplicado al motor para asegurar que existe el par necesario en el eje del motor sin que surjan problemas de sobrecalentamiento.

Aplicaciones de los variadores de frecuencia

Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:

• Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de producción de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del producto que se transporta, etc.

• Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.

• Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificación con precisión, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates, miel, barro, etc.

• Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo la cupla del motor constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.

• Extrusoras. Se obtiene una gran variación de velocidades y control total de la cupla del motor.

• Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia.

• Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.

• Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales.

• Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor consumo de energía en el arranque.

• Pozos petrolíferos. Se usan para bombas de extracción con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo

.

Principales funciones de los variadores de velocidad electrónicos

Aceleración controlada

La aceleración del motor se controla mediante una rampa de aceleración lineal o en «S».

Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de aceleración adecuado para la aplicación.

Variación de velocidad

Un variador de velocidad no puede ser al mismo tiempo un regulador. En este caso, es un sistema, rudimentario, que posee un mando controlado mediante las magnitudes eléctricas del motor con amplificación de potencia, pero sin bucle de realimentación: es lo que se llama «en bucle abierto».

La velocidad del motor se define mediante un valor de entrada (tensión o corriente) llamado consigna o referencia. Para un valor dado de la consigna, esta velocidad puede variar en función de las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de la temperatura). El margen de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal.

Regulación de la velocidad

Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado (figura 1). Posee un sistema de mando con amplificación de potencia y un bucle de alimentación: se denomina, «bucle cerrado».

La velocidad del motor se define mediante una consigna o referencia. El valor de la consigna se compara permanentemente con la señal de alimentación, imagen de la velocidad del motor. Esta señal la suministra un generador tacométrico o un generador de impulsos colocado en un extremo del eje del motor. Si se detecta una desviación como consecuencia de una variación de velocidad, las magnitudes aplicadas al motor (tensión y/o frecuencia) se corrigen automáticamente para volver a llevar la velocidad a su valor inicial.

Gracias a la regulación, la velocidad es prácticamente insensible a las perturbaciones.

La precisión de un regulador se expresa generalmente en % del valor nominal de la magnitud a regular.