Electronics Quiz: Interruptores y Diodos

Convertidores Electrónicos de Potencia

• Se trata de un circuito electrónico que realiza la conversión de energía.
• Utiliza interruptores controlados (semiconductores), inductancias, transformadores y condensadores para alcanzar una eficiencia elevada.
• El objetivo principal es el rendimiento.

Conversión de Energía

• La fuente de energía (power source) proporciona la energía en una forma determinada (corriente alterna, c.a., o corriente continua, c.c.).
• La conversión de energía implica transformar la energía de una forma a otra para un consumo más eficiente.
• El consumo de potencia (power consumption) implica entregar la energía recogida de la manera más eficiente posible.

Esquema Tradicional

• El esquema tradicional de conversión de energía se compone de una fuente de energía, un circuito de electrónica de potencia, un controlador interno, un controlador externo y un sistema de electrónica de potencia, seguido de un consumo de potencia.
• La información de la señal de control define el valor de salida.
• Se utiliza un controlador externo como intermediario en el proceso de conversión.

Sistema Electrónico de Potencia (SEP)

• Un convertidor, o circuito electrónico de potencia, realiza el proceso de recoger y entregar (convertir) energía electrónicamente.
• La conversión se lleva a cabo mediante interruptores controlados (semiconductores), inductancias, transformadores y condensadores, con el objetivo de evitar elementos disipativos, lo que implica una alta eficiencia.
• El circuito de control sintetiza la onda de salida y asegura la calidad de la misma según la carga.

Electrónica de Potencia

• La aplicación de la electrónica de estado sólido se utiliza para controlar y convertir la potencia eléctrica.
• El procesamiento y control de energía eléctrica permite la optimización del suministro de voltajes y corrientes para las cargas.
• La electrónica de potencia combina la conversión y el control para diferentes aplicaciones.
• Se centra en el estudio de circuitos y técnicas que manipulan la energía eléctrica.
• El objetivo principal es el rendimiento.

Aplicaciones

• La electrónica de potencia tiene aplicaciones tradicionales en entornos industriales y de transporte (trenes, tranvías, carros de golf).
• Actualmente se encuentra en aplicaciones cotidianas como electrodomésticos, aire acondicionado, herramientas.
• Otros entornos incluyen vehículos eléctricos, sistemas de potencia FACTS y sistemas de energía renovables.

Dispositivos de Potencia

• Los semiconductores usados en los circuitos de electrónica de potencia funcionan como interruptores.
• Un interruptor activado (ON) permite la circulación de corriente con poca caída de tensión.
• Un interruptor desactivado (OFF) bloquea la corriente con una intensidad de fuga mínima.

Interruptor (Semiconductor)

• El interruptor (semiconductor) controla el paso de corriente/tensión hacia un circuito con la mayor eficiencia energética posible.
• La curva característica ideal relaciona la intensidad con la caída de tensión del dispositivo.

Tiempo de Conmutación

• El tiempo de conmutación ideal de un interruptor es nulo, mientras que en la realidad no lo es.
• El tiempo de conmutación ideal es 0 para la transición de conmutación, mientras que en la práctica no.

Tensión - Corriente

• Un interruptor ideal soporta una tensión infinita entre sus terminales durante el bloqueo.
• Un interruptor ideal soporta una intensidad infinita durante la conducción.
• Un interruptor real presenta una gran capacidad de bloquear tensión directa e inversa y de conducir corrientes elevadas. También resiste simultáneamente las tensiones y corrientes durante el cambio de estados.

Potencia

• La potencia de control de un interruptor ideal es cero, mientras que en la práctica no es cero, sino pequeña.
• El consumo de potencia de un interruptor ideal en ambos estados es despreciable.

Resistencia

• La resistencia de un interruptor ideal es infinita en el estado de bloqueo y nula en el estado de conducción.
• Un interruptor real presenta un coeficiente de temperatura positivo en el estado de conducción y un comportamiento de resistencia compartida cuando se conectan en paralelo varios componentes.

Semiconductores de Potencia

• Los semiconductores de potencia se caracterizan por dos estados definidos: bloqueo (corte) y conducción.
• La conmutación, o cambio entre los estados, se controla de forma sencilla, con poco consumo y eficiencia.
• La gestión de grandes potencias requiere interruptores de corte que soporten altas tensiones y de conducción que soporten altas corrientes.

No controlados

• La conducción o el bloqueo de los semiconductores no controlados dependen del signo de la señal.
• Los diodos son rectificadores puros.
• Los DIAC y los Shockley se utilizan en aplicaciones de rectificación.
• Los diodos Schottky se utilizan en conmutaciones rápidas.

Controlados

• La conducción o el bloqueo de los semiconductores controlados varían según una señal de control.
• Estos se pueden controlar mediante pulsos o señales continuas.
• Algunos ejemplos son el tiristor (SCR), el TRIAC, el GTO y el SCS.

Controlados por Pulso

• Un tiristor (SCR) se dispara con una señal de control, y continúa conduciendo hasta que la corriente cae por debajo de un umbral.
• El tiristor (SCR) controla potencias muy altas.
• El tiristor (SCR) tiene dos terminales principales (ánodo y cátodo) y un terminal auxiliar de disparo (puerta).
• El funcionamiento del tiristor depende de la tensión en la puerta.

Controlados por Señal

• Transistores como el BJT, FET, IGBT y UJT controlan la conducción o el bloqueo según una señal de control continua.
• El funcionamiento como interruptor ideal del transistor bipolar requiere mantener la señal de control.

Controlados por Señal: Bipolar de Potencia

• Desde el punto de vista de los convertidores de energía, se consideran dos estados: bloqueo (BJT en Corte) y conducción (BJT en Saturación).
• Las frecuencias de conmutación son bajas.
• Las tensiones de bloqueo y las corrientes son altas.

Controlados por Señal: MOSFET de Potencia

• Los MOSFET de potencia son dispositivos controlados por la tensión de puerta.
• En los convertidores de energía, se pueden considerar dos estados: bloqueo (MOSFET en Corte) y conducción (MOSFET en Ohmica).
• Los tiempos de conmutación son altos.
• Las corrientes y las tensiones de bloqueo son moderadas.

Controlados por Señal: IGBT

• Los IGBT combinan características de los MOSFET y los BJT para ofrecer una solución con una buena velocidad de conmutación.
• IGBTs tienen unas capacidades muy altas a la vez que son compactas.
• IGBTs se caracterizan por su baja resistencia de conducción.

Sistemas Electrónicos de Potencia (SEP)

• Los SEP se componen de una fuente de alimentación que suministra la energía en varias formas (c.a. o c.c.), un circuito de potencia, un circuito de control y la carga que consume la energía.

Convertidor Conmutado

• Los conversores conmutados o estáticos carecen de partes móviles, lo que reduce su mantenimiento.
• Son ideales por su baja pérdida de potencia y alta eficiencia.
• Los factores que influyen en la eficiencia de estos sistemas son el coste de la energía y la disipación de calor.

Tipos de Convertidores

• La conversión alterna-continua la realiza un rectificador.
• La conversión continua-alterna la realiza un inversor.
• La conversión continua-continua la realizan troceadores, reguladores cc o convertidores cc/cc, estos transforman la tensión.
• La conversión alterna-alterna la realizan reguladores ca y cicloconvertidores modificando el valor eficaz de la tensión o frecuencia.

Rectificador

• El rectificador transforma la corriente alterna (c.a.) en corriente continua (c.c.).
• Los rectificadores pueden ser controlados o no controlados, y semicontrolados.
• El valor medio de la tensión de salida de un rectificador no controlado depende de la tensión de entrada y la topología del convertidor.
• El flujo de potencia en un rectificador no controlado es unidireccional.

Rectificador Controlado

• Se puede ajustar la tensión de salida independientemente de la tensión de entrada.
• Pueden presentar tensión negativa.
• El flujo de potencia puede ser bidireccional.
• Se compone de tiristores y otros componentes.
• Se controla la tensión/corriente de salida a partir de la puerta de los tiristores.
• El control permite seleccionar el momento de disparo del tiristor para cambiar el valor medio de la tensión de salida.

Inversor

• El inversor transforma corriente continua en corriente alterna.
• Se considera que la carga debe ser un generador de alterna.
• Los tipos de inversores son controlados o guiados (no autónomos).
• Algunos tipos de inversores realizan la conversión de corriente continua en corriente alterna, con un control de la frecuencia de conmutación y de la tensión.

Convertidor Continua-Continua

• Basado en el uso de interruptores controlados, este convertidor transforma la tensión de una forma continua a otra forma continua.
• Los tipos de conversores continua-continua con un solo interruptor son: Buck, Boost, Buck-Boost y Flyback.
• Los conversores continua-continua con varios interruptores son: Puente H. El puente H permite el control de la magnitud y polaridad de la salida.

Convertidor Alterna-Alterna

• Se puede controlar la forma de onda.
• Las técnicas de implementación incluyen: *control ON-OFF * (encendido-apagado), control ON-OFF (fase) y control de amplitud.

Criterios de Calidad para Rectificador

• Se determina la calidad del rectificador según el valor medio de la tensión de salida y el factor de potencia.
• El factor de potencia es el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente.

Pon a prueba tus conocimientos sobre interruptores ideales y reales, así como diodos de recuperación rápida. Explora conceptos clave como el estado de bloqueo, la resistencia RON y el comportamiento de los componentes en circuitos. Este cuestionario es ideal para estudiantes de electrónica que deseen afianzar su comprensión de estos componentes fundamentales.