Clase 1 Interruptores-estaticos

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INTERRUPTORES ESTATICOS Introducción Estos dispositivos fueron diseñados con la finalidad de reemplazar a los clásicos interruptores de corriente mecánicos y electromecánicos. Aprovechando las características funcionales de los tiristores y los transistores, se aplican estos dispositivos para el uso como interruptores de corriente. Los interruptores estáticos tienen ventajas, frente a los clásicos, como ser alta velocidad de activación y desactivación (algunos microsegundos), no tienen partes móviles y no hay rebotes en el contacto al cerrar. Además de las ventajas mencionadas, los interruptores estáticos (o electrónicos), se los puede diseñar con determinadas funciones lógicas, necesarias en sus aplicaciones (automatismos o mandos), como ser “retardos”, “retención”, detección etc., tanto para corrientes como voltajes. Los interruptores estáticos se pueden clasificar en interruptores para corriente alterna e interruptores para corriente continua. Los interruptores de ca, pueden ser monofasicos o trifásicos. Estos últimos también podemos clasificarlos en asincrónicos y sincrónicos, en relación al inicio de su activación, con respecto al cruce con cero, del voltaje de trabajo. Normalmente los interruptores de ca tienen conmutación de línea o natural, y la velocidad de conmutación esta limitada por la frecuencia de la fuente de alimentación de ca y la velocidad de conmutación de los tiristores. Los interruptores para corriente continua, tienen conmutación forzada y la velocidad de conmutación depende de los tiempos de activación y desactivación de los dispositivos semiconductores. INTERRUPTORES DE CORRIENTE ALTERNA Estos dispositivos conmutan potencia eléctrica de manera “todo o nada”, reemplazando a los interruptores mecánicos y contactores electromecánicos. Pueden ser como dijimos monofasicos o trifásicos. Son circuitos similares a los controladores de ca, con la diferencia que el ángulo de encendido o activación se realiza en cada ciclo en α = 0º, o sea en el cruce por cero del voltaje de entrada, para carga resistiva, y en el cruce por cero de la corriente, para carga inductiva. Interruptores estáticos de ca monofásicos io io io io + + + + vs vo vs vo - - - -

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Interruptores estaticos

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INTERRUPTORES ESTATICOS

Introducción

Estos dispositivos fueron diseñados con la finalidad de reemplazar a los clásicosinterruptores de corriente mecánicos y electromecánicos. Aprovechando lascaracterísticas funcionales de los tiristores y los transistores, se aplican estosdispositivos para el uso como interruptores de corriente.

Los interruptores estáticos tienen ventajas, frente a los clásicos, como ser altavelocidad de activación y desactivación (algunos microsegundos), no tienenpartes móviles y no hay rebotes en el contacto al cerrar.

Además de las ventajas mencionadas, los interruptores estáticos (o electrónicos),se los puede diseñar con determinadas funciones lógicas, necesarias en susaplicaciones (automatismos o mandos), como ser “retardos”, “retención”,detección etc., tanto para corrientes como voltajes.

Los interruptores estáticos se pueden clasificar en interruptores para corrientealterna e interruptores para corriente continua. Los interruptores de ca, puedenser monofasicos o trifásicos. Estos últimos también podemos clasificarlos enasincrónicos y sincrónicos, en relación al inicio de su activación, con respecto alcruce con cero, del voltaje de trabajo.

Normalmente los interruptores de ca tienen conmutación de línea o natural, y lavelocidad de conmutación esta limitada por la frecuencia de la fuente dealimentación de ca y la velocidad de conmutación de los tiristores.Los interruptores para corriente continua, tienen conmutación forzada y lavelocidad de conmutación depende de los tiempos de activación y desactivaciónde los dispositivos semiconductores.

INTERRUPTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Estos dispositivos conmutan potencia eléctrica de manera “todo o nada”,reemplazando a los interruptores mecánicos y contactores electromecánicos.Pueden ser como dijimos monofasicos o trifásicos. Son circuitos similares a loscontroladores de ca, con la diferencia que el ángulo de encendido o activaciónse realiza en cada ciclo en α = 0º, o sea en el cruce por cero del voltaje deentrada, para carga resistiva, y en el cruce por cero de la corriente, para cargainductiva.

Interruptores estáticos de ca monofásicos

ioio io io

+ + + +vs vo vs vo- - - -

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La figura anterior muestra dos circuitos que realizan la misma función, con ladiferencia que segundo circuito los tiristores tienen cátodo común, y las señalesde disparo tienen terminal común. En ambos casos, el tiristor T1 se dispara en elinicio del semiciclo positivo de la tensión de entrada, para carga resistiva, o lacorriente de entrada, para carga inductiva. Para el semiciclo negativo de latensión o corriente, se activa el tiristor T2. Las siguientes graficas, muestran losmomentos de disparo de los tiristores para ambos tipos de carga:

VsVm

П 2П wt0

VoVm

wt0

VsVm

П 2П wt0

VoVm

wt

0

IoVm/RL

g1

0g2

0

IoVm/|ZL|

θθ

wt

0 wt

g1wt wt

0g2

wt wt0

Formas de ondas para carga resistiva Formas de ondas para carga inductiva

Si las condiciones de tensión y corriente lo permiten, los dos tiristores pueden serreemplazados por un triac como lo muestra el próximo circuito. En este caso elTRIAC se dispara también en los cruces por cero, con un pulso positivo en lacompuerta, respecto al terminal T1, en el inicio del semiciclo positivo (Vgt1) y unpulso negativo para el inicio del semiciclo negativo. (Para cargas inductivas,trenes de pulso).

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Is io

+vs +- vo

-

Un puente rectificador de diodos, con un tiristor o un transistor, como semuestra en la siguiente figura, pueden realizar la misma función que los casosanteriores. A este conjunto de dispositivos semiconductores, se le denomina“interruptor bidireccional”.

+ +vs vo- -

Durante el semiciclo positivo de la tensión de entrada, la corriente circula haciala carga, a través de D1, T1, y D2. Durante el semiciclo negativo, la corriente seinvierte en la carga, circulando por D3, T1 y D4. Como vemos la corriente deltiristor (o transistor) es unidireccional

Interruptores para transferencia de canal de alimentación

Los interruptores estáticos se pueden usar como dispositivos para transferircanales de alimentación de energía eléctrica a una carga, de forma alternativa.Por ejemplo si la fuente normal de alimentación a la carga proviene de V1, ante lano disponibilidad de esta fuente por inconvenientes en su alimentación primaria,falla de la propia fuente o suministro con bajo voltaje, mediante la configuraciónmostrada en la figura, es posible desconectar la fuente normal (V1) y conectar lafuente alternativa (V2). Esta transferencia de energía, ante uno de losinconvenientes mencionados, se puede realizar en un tiempo muy breve, delorden del periodo de las tensiones de alimentación. También es posible realizaresta configuración de circuito, para alimentación trifásica.

+ ++ V1 VoV2_ _ _

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INTERRUPTORES ESTATICOS PARA CORRIENTE CONTINUA

Los interruptores de corriente continua tienen la capacidad de conectar ydesconectar cargas que tienen suministro de tensiones de alimentacióncontinuas. Los semiconductores que se utilizan como interruptores, pueden sertransistores de potencia bipolares tipo NPN, MOSFET de potencia o IGBT.También se pueden utilizar tiristores como los SCR de conmutación rápida yGTO.

+

Vcc D1

+

+ZL

Vcc

+

I1T Circuito de

apagado

Vbe Q Vg- - - - I2

Circuito 1 circuito 2

+ +Vcc

+Vg

I1

C I2

Vcc+

Vg

- - - -

Circuito 3 circuito 4

Carga Z+

EVDD +

Señallógicade

control- -

Dcontrol

S

Circuito 5

El circuito Nº1, es un interruptor con transistor bipolar NPN, conectando unacarga con componente inductiva. Para este tipo de carga, es necesario conectaun diodo en

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antiparalelo, para suministrar un camino a la energía almacenada en lainductancia Lpara proteger al transistor de voltajes transitorios, durante la desactivación.

El circuito Nº2, es un interruptor de corriente continua, basado en un tiristortipo SCR de conmutación rápida. En este caso cuando el SCR se activa conpolarización directa, no tenemos control para su desactivación, dado que latensión de alimentación no cambia de polaridad, como el caso cuando se loutiliza en ca, que se desactiva en el comienzo del semiciclo negativo (apagadopor conmutación natural).Para tener control en la desactivación, necesitamosincorporarle un circuito de apagado, también llamado “circuito de conmutaciónforzosa”. Tenemos una diversidad de circuitos de apagado.

El circuito Nº3, nos muestra, a modo de ejemplo, uno de los varios circuitos deconmutación forzosa para el apagado del SCR. En este circuito, el SCR seactiva cuando cerramos el interruptor “I1”(este, puede ser un transistor). Durantela activación, el capacitor C, se carga prácticamente al valor de la tensión dealimentación “Vcc”, através de la resistencia R2 y el propio tiristor T1. Cuando queremos desactivara T1, entonces cerramos el interruptor I2 y activamos el SCR T2, aplicándole aT1 el voltaje negativo del capacitor.Con una tensión negativa en los extremos de T1, hace que su corrientedisminuya por debajo de la mínima de mantenimiento, haciendo que T1 sedesactive. Por otra parte T2 que se había activado durante el cierre de I2, nopuede mantenerse en estado activo dado que la resistencia R2, se elige paraque la corriente en este tiristor, no llegue al valor mínimo de retención.

El circuito Nº4, se muestra un interruptor de continua, realizado con un tiristorGTO. Como vemos es este caso no necesitamos un circuito auxiliar deconmutación, dado que el GTO se activa con un pulso positivo aplicado entre lacompuerta y cátodo, y se desactiva con un pulso negativo aplicado en losmismos terminales.

El circuito Nº5, representa un interruptor realizado con transistor MOSFET,canal N, con sus funciones internas de control y protección. Estosinterruptores, se suministran comercialmente como un solo modulo con tresterminales: D(drenaje), para conectar la carga, S(surtidor o fuente), paraconectar al negativo de la alimentación y E (entrada), donde se aplica elvoltaje para la activación y desactivación.

Interruptores inteligentes de potencia

El avance de la microelectrónica, con el aporte de los circuitos integrados dealta densidad de integración, cada vez tiene más aplicaciones en lastecnologías de automatización, lo cual exigen un mayor rendimiento a losinterruptores estáticos de potencia. En muchas aplicaciones esos requisitosexigidos por estos sistemas, no pueden satisfacerse con los interruptoreselectromecánicos convencionales. Existen en el mercado, una variedad deinterruptores estáticos con funciones incorporadas en un solo bloquesemiconductor, lo cual se los denomina “interruptores inteligentes de potencia”.Esta funciones, son muy variadas, y entre ellas podemos mencionar: laprotección por sobrevoltaje, limitación de corriente, protección de lacompuerta del interruptor propiamente dicho, sensor del voltaje deentrada, sensor de temperatura interna, detección de circuito abierto,detección de cortocircuito, y otras mas.

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A modo de ejemplo, mostramos en la siguiente figura, el esquema de bloquesfuncional, de un interruptor inteligente de potencia, comercializado por unaempresa importante, sin realizar comentarios.

RELEVADORES DE ESTADO SÓLIDO

Los relevadores de estado sólido, comúnmente llamados “relés estáticos”, soninterruptores estáticos de pequeña potencia. Se usan en muchas aplicaciones,en controles industriales como control de cargas de motores, transformadores,calefacción por resistencias, etc. Para aplicaciones con ca se pueden usartiristores como pueden ser los SCR o los TRIAC y para aplicaciones contensiones continuas, se usan transistores. En gral, en los relés estáticos, seaísla el circuito de control y el circuito de carga mediante un relevador tipo“reed” (también llamado relé de lengüeta), un transformador de pulsos cortos, oun elemento optoacoplador.

El relé de lengüeta, básicamente consiste en dos láminas de metal quecumplen la misión de contactos, ubicadas generalmente en una ampolla devidrio, con terminales exteriores. Envolviendo a esta capsula de vidrio seencuentra el bobinado de excitación. Cuando se hace pasar corriente cc sobreeste bobinado, se genera en el interior de la capsula un flujo magnético quehace que las laminas se orienten en la dilección del

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Circuito 1

campo magnético, haciendo que se toquen las láminas, cerrando el circuito dedisparo. La próxima figura muestra el esquema del relevador de lengüeta

ooooooooooooooooooooooo

oooooooooooooooo00oo

Bobinado deexcitación Ampollade vidrio Terminalexterior Contacto deláminas

Los transformadores de pulsos, son transformadores magnéticos especiales,que permiten reproducir en el bobinado secundario, pulsos de voltaje de muycorta duración. Estos transformadores, exigen núcleos de hierro con granpermeabilidad, como son las aleaciones especiales “Hipersil”, “permalloy” o“Ferrites”. En gral la relación de transformación de los transformadores de pulsoes 1:1

Los Optoacopladores son circuitos semiconductores que disponen del lado deexcitación o control, de una fuente de radiación luminosa, usualmente un diodoemisor de luz tipo Leds; del lado de la salida se dispone de un dispositivodetector de luz como puede ser un fototransistor, fotodarlington o fototiristor.Ambos, están acoplados mediante un dieléctrico transparente. De esta manera,el circuito de disparo o de control, se conecta a la puerta del tiristor o transistor,asegurando una aislamiento eléctrica entre el circuito de la carga (de altatensión), con el circuito de disparo o control (de bajo voltaje).

Conexiónal circuitode disparoo control

Conexión a lacompuerta

de deactivación

delinterruptor

TiposHP24 6000 v aislamiento

HP23 aplicación con fibrasópticas

HP22 10 a 15 Kv deaislamiento

Aislamientotransparente

Ejemplo de aplicaciones

Trafo depulsos

Relé delengueta

Circuitodisparo

Circuitodisparo

Circuito 1 Circuito 2

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El circuito Nº1 muestra el esquema de un circuito relevador que puede utilizarsepara control o como interruptor para corriente alterna. En este caso, se utilizaun TRIAC como interruptor con transformador de pulsos, para aislar el circuitode disparo respecto al circuito de la carga. El circuito de disparo, utiliza lamisma fuente de alimentación que la carga, y se conecta en los extremos delTRIAC, por un lado para sincronizar los disparos en cada semiciclo y a vezasegurar que no se produzcan disparos posteriores, una vez activado.

En circuito Nº2, es similar al anterior con la diferencia que utiliza “un relé delengüeta” y alimentación independiente para el circuito de disparo.

Relevadores interruptores tipo todo o nada asincrónicos

Estos interruptores de pequeña potencia, permiten o interrumpen el flujo total depotencia alterna hacia la carga. No tienen sincronismo con el cruce por cero dela tensión de alimentación de la carga. Si en el momento de conectarla, elvoltaje se encuentra en un valor alto, puede provocar una interferenciaelectromagnética, que podría afectar a sistemas electrónicos vecinos. Veamosun circuito sencillo con dispositivos conocidos, a modo de ejemplo:

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Cuando la entrada lógica de control “Ve” toma un estado alto, el oscilador derelajación comienza a oscilar, generando pulsos de disparo de alta frecuencia (enrelación a la frecuencia de la tensión de alimentación de la carga). De esta forma,se proporciona una secuencia de pulsos rápidos a la compuerta del SCR,disparándolo en cada semiciclo, dado que el voltaje de sus extremos proviene delpuente de diodos formado por D1, D2, D3, D4. La corriente en la carga, circula enambos sentidos.

La tensión de control “Ve” puede provenir de un suministro de voltaje de unsistema lógico discreto, integrado cableado o microcontrolador). Cuando estevoltaje esta en un nivel bajo, el capacitor “C” no llega a cargarse a la tensión dedisparo del UJT, lo cual no se generan pulsos de disparo, y el SCR esta inactivo.Cuando “Ve” pasa a un estado alto el capacitor comienza cargarse, con unaconstante de carga “R.C”, hasta la tensión de disparo del UJT, generando pulsosde disparo, activándose el SCR. El periodo de disparo, esta dado aprox. Por T=R.C. Si R: 10 KΩ y C=0,1 µF, resulta T = 1 ms y si la frecuencia de red es de 50c/seg. Entonces se generaran 10 pulsos por cada periodo de la tensión dealimentación de la carga, lo cual hace que el máximo retardo a la activación delSCR, sea de 1 ms.

Como se observa en el grafico, este relevador, es asincrónico en el inicio de suactivación, pero entrega a la carga, ciclos enteros de potencia eléctrica.

Circuito relevador estático con optoacoplador Diac y Triac

+Señal

deControl

Ve

-

En este circuito, el DIAC genera los pulsos de disparo positivos para el TRIAC,en los semiciclos positivos, y genera los pulsos de disparo negativos, en lossemiciclos negativos. Estos pulsos se podrán generar siempre y cuando sepermita cargar al capacitor “C”, a través de R, al valor de la tensión de disparodel DIAC. En este caso, el circuito de control, actúa sobre este capacitorcontrolando su carga. Si la señal de control tiene un valor bajo, el diodo Led noilumina al fototransistor y éste se mantiene abierto. Esta situación permite lacarga del capacitor, generando los pulsos para disparar en cada semiciclo alTRIAC. En cambio si tenemos una señal alta de control, el diodo Led ilumina alfototransistor y este conduce, presentado un camino de baja impedancia, enparalelo con el capacitor, no permitiendo su carga y con ello no se generan lospulsos de disparo al TRIAC. En este caso, no se entrega potencia a la carga. Elcamino de baja impedancia para el semiciclo positivo esta dado por D1,fototransistor y D2. Para el semiciclo negativo esta dado por D3, fototransistor yD4.

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Resumiendo, cuando tenemos señal de control, no se entrega potencia a lacarga. Cuando no tenemos señal de control, entregamos potencia a la carga, osea éste relevador estático, se activa con lógica negativa. Este circuito, como elanterior, también es asincrónico, en el momento de la activación.

Relevadores estáticos sincrónicos a la activación

En estos relevadores, cuando se los activa, recién lo hacen en el cruce porcero de la tensión de alimentación de la carga; como los demás, mientrasesta activado, entrega ciclos enteros de potencia a la carga. Veamos undiagrama en bloques de estos relevadores:

Señaldecontrol

Circuitodeaislamiento

Circuitodetectorcruce por

cero

Generador Pulsosdisparo

Vamos a analizar ahora, un relevador realizado con técnica discreta, que sibien, con la tecnología actual, es obsoleto, nos sirve como referencia paracomprender el funcionamiento de otros relevadores modernos, totalmenteintegrados.

Señal de control

Optoacoplador

Detectorcrucepor cero

GeneraciónPulsosdisparos

Circuito completo

Señalcontrol

Q

Optoacoplador

ControlDisparo

ConCrucecero

Generador Pulsosdisparos

Aliment. ysincronism

o crucecero

Interruptor estáticocon Triac

Alimentación principal

de voltaje cay carga

RL

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Funcionamiento:

Los diodos D1, D2, D3 y D4 trabajan como rectificador monofásico entregandouna tensión que varia desde un valor máximo un valor cero, en el cruce porcero de la tensión de alimentación. Por encima de cero, el diodo Zener conduce,haciendo conducir al transistor Q, a la saturación. Como el transistor estaconectado en su salida a la compuerta y cátodo del SCR, este último no puedeactivarse para generar el pulso de disparo del interruptor principal (TRIAC).

Cuando la tensión se aproxima a cero, el diodo Zener deja de conducir, eltransistor Q, también, porque esta alimentado en su base por la corriente delTener, y si el optoacoplador se encuentra activado, puede disparar el tiristor quea su vez dispara al TRIAC, en el cruce por cero. De esta manera, la orden deactivación del relevador estático se puede dar en cualquier momento delperiodo de la frecuencia de alimentación, pero la conexión de la carga, se hacesiempre en el cruce por cero.

Relevador con optoacoplador y detector de cruce por cero con circuitointegrado

Utilizando un CI especial, opto acoplador con detector de cruce por cero y unfototriac, como generador de pulsos de salida, podemos diseñar con muypocos dispositivos un relevador con sincronismo en su activación.

Relevadores estáticos comerciales

Desde hace unos años atrás, se disponen comercialmente relevadoresestáticos implementados en un solo módulo, con conexionados normalizados.Se disponen de relevadores para baja potencia con manejos de corriente deunos 300 mA y voltajes de línea de 120 y 220 volt. Para lo relevadores de máspotencia, pueden manejar corrientes desde 2 a 3 A, hasta 40 A.

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Diseño o selección de un interruptor estático

El diseño o la selección de un interruptor estático, requiere calcular lasespecificaciones de voltaje y corriente. Por ejemplo si tomamos un interruptorestático realizado con tiristores del tipo SCR, como muestra la siguiente figura,el cálculo es el siguiente:

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