Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 12

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e AP TUL o 12 Interruptores estáticos Los objetivos de aprendizaje para este capítulo son los siguientes: • Comprender la operación y las características de los interruptores estáticos y los relevadores micro- electrónicos (MER, de microelectronic relay) • Aprender los diversos tipos de interruptores estáticos y MER. 12.1 INTRODUCCiÓN Los tiristores que pueden activarse y des activarse en menos de unos pocos microsegundos pueden funcionar como interruptores de acción rápida para sustituir los interruptores automáti- cos mecánicos y electromecánicos. Para aplicaciones de cd con baja potencia, los transistores de potencia también se pueden usar como interruptores. Los interruptores estáticos tienen muchas ventajas, como velocidades muy altas de conmutación, no tienen partes móviles y no hay rebote en el contacto al cerrar. Además de las aplicaciones como interruptores estáticos, los circuitos de tiristores (o tran- sistores) se pueden diseñar para dar un retardo, retención y detecciones de corrientes y voltajes altos y bajos. Los transductores para detectar señal mecánica, eléctrica, de posición, de proximidad, etc., pueden generar las señales de disparo o de control para los tiristores (o los transistores). Los interruptores estáticos se pueden clasificar en dos: 1) interruptores de ea y 2) interrupto- res de cd. Los interruptores de ea se pueden subdividir en a) monofásicos y b) trifásicos. Para los interruptores de ea, los tiristores tienen conmutación de línea o natural, y la velocidad de conmu- tación está limitada por la frecuencia de la fuente de ea y el tiempo de desactivación de los tiris- tores. Los interruptores de cd tienen conmutación forzada, y la velocidad de conmutación depende de los tiempos de activación y des activación de los dispositivos. 12.2 INTERRUPTORES DE CA MONOFÁSICOS En la figura 12.1a se presenta el diagrama eléctrico de un interruptor monofásico de onda com- pleta, en el que se conectan los dos tiristores en paralelo inverso. El tiristor T 1 se dispara cuando últ =\) '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 están conmutados por la línea. Las formas de onda de los voltajes de entrada y de salida, y de la corriente de salida, se ven en la figura 12.1b. 551

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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e A P TUL o 1 2

Interruptores estáticos

Los objetivos de aprendizaje para este capítulo son los siguientes:

• Comprender la operación y las características de los interruptores estáticos y los relevadores micro-electrónicos (MER, de microelectronic relay)

• Aprender los diversos tipos de interruptores estáticos y MER.

12.1 INTRODUCCiÓN

Los tiristores que pueden activarse y des activarse en menos de unos pocos microsegundospueden funcionar como interruptores de acción rápida para sustituir los interruptores automáti-cos mecánicos y electromecánicos. Para aplicaciones de cd con baja potencia, los transistoresde potencia también se pueden usar como interruptores. Los interruptores estáticos tienen muchasventajas, como velocidades muy altas de conmutación, no tienen partes móviles y no hay reboteen el contacto al cerrar.

Además de las aplicaciones como interruptores estáticos, los circuitos de tiristores (o tran-sistores) se pueden diseñar para dar un retardo, retención y detecciones de corrientes y voltajesaltos y bajos. Los transductores para detectar señal mecánica, eléctrica, de posición, de proximidad,etc., pueden generar las señales de disparo o de control para los tiristores (o los transistores).

Los interruptores estáticos se pueden clasificar en dos: 1) interruptores de ea y 2) interrupto-res de cd. Los interruptores de ea se pueden subdividir en a) monofásicos y b) trifásicos. Para losinterruptores de ea, los tiristores tienen conmutación de línea o natural, y la velocidad de conmu-tación está limitada por la frecuencia de la fuente de ea y el tiempo de desactivación de los tiris-tores. Los interruptores de cd tienen conmutación forzada, y la velocidad de conmutacióndepende de los tiempos de activación y des activación de los dispositivos.

12.2 INTERRUPTORES DE CA MONOFÁSICOS

En la figura 12.1a se presenta el diagrama eléctrico de un interruptor monofásico de onda com-pleta, en el que se conectan los dos tiristores en paralelo inverso. El tiristor T1se dispara cuandoúlt =\)'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 están conmutados por la línea. 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

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(12.1)

552 Capítulo 12 Interruptores estáticos

i.

+ + io

Vs VORL

O wt

(a) Circuito

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

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

glI

O I----LL-------f"------'- •...•.wt

g2

I

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

FIGURA 12.1

Interruptor de ea monofásica 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 debería disparar después del medio ciclo positivodel voltaje de entrada, cuando la corriente pase por cero, y el tiristor T2 debería disparar despuésdel 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 instantánea de línea es is(t) = 1m sen wt, la corriente rms de línea es

o I-L-----...l.-----.....LJ~ wt

g2 Pulso de disparo de 1'2I

o ~(b) Formas de onda para carga resistiva

[2 r ]112

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

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

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

(12.2)

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TR¡

+ +

v

12.2 Interruptores de ea monofásieos 553

FIGURA 12.2

Interruptor de ea monofásica con TRIAC.

y la corriente raíz cuadrática 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 cátodo común, y las señales de disparo tienen una terminal común. 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 función 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 sección 12.2• Los interruptores se activan cuando el voltaje de entrada cruza por cero.• La operación del circuito es parecida a la del controlador monofásico de voltaje de ea, con

un ángulo de retardo C( = O.

+

(a) Circuito

FIGURA 12.3

Interruptor de ea monofásica 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~wt

1

Pulso de disparo de 1'2

o '-- --U'-- ~ wt

(b) Formas de onda

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554 Capítulo 12 Interruptores estáticos

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 monofásica con puente rectificador y tiristor.

12.3 INTERRUPTORES DE CA TRIFÁSICOS

El concepto de conmutación de ea monofásica se puede ampliar a las aplicaciones trifásicas. Sepueden conectar tres interruptores monofásicos como el de la figura 12.1a para formar un in-terruptor trifásico, como se ve en la figura 12.5a. Las señales 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, también se pueden usar un diodo y untiristor para formar un interruptor trifásico, 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 sólo se puede detener cada ciclo del voltaje de entrada, y sevuelve lento el tiempo de reacción (por ejemplo, 16.67 ms para una fuente de 60 Hz).

Punto clave de la sección 12.3

• La operación del circuito se parece a la del controlador trifásico de voltaje de ea con unángulo de retardo a = O.

12.4 INTERRUPTORES TRIFÁSICOS REVERSIBLES

Se puede tener la inversión de la potencia trifásica suministrada a una carga agregando dos inte-rruptores monofásicos más al interruptor trifásico de la figura 12.5a. Esto se ve en la figura12.7. En la operación normal, los tiristores T7 a TlO se desactivan con inhibición (o supresión) depulsos de compuerta y se activan los tiristores TI a T6. La línea A alimenta a la terminal a, la lí-nea B a la terminal b y la línea e a la terminal c. En la operación de inversión de fase, los tiristo-res T2, T3, T5 Y T6 se desactivan por inhibición de pulso de compuerta y los tiristores T7 a TlO sonoperativos. La línea B alimenta a la terminal c y la línea e alimenta a la terminal B, siendo estouna inversión de fase del voltaje aplicado a la carga. Para obtener la inversión de fase, todos los

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12.4 Interruptores trifásicos 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 trifásica con tiristor.

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556 Capítulo 12 Interruptores estáticos

DI

Aa

D2

B

FIGURA 12.6 D3e

Interruptor de ea trifásica con diodo y tiristor. e b

A

B

e

a

b

e

FIGURA 12.7

Interruptor reversible de eatrifásica con tiristor.

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

Punto clave de la sección 12.4• Se pueden conectar y disparar cinco pares de tiristores para producir una inversión de

fase en una carga trifásica.

12.5 INTERRUPTORES DE CA PARA TRANSFERENCIA DE CANAL

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

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12.6 Interruptores de cd 557

+ + +

T~VI

FIGURA 12.8

Interruptor monofásico para transferencia de canal.

b

a

FIGURA 12.9

Interruptor trifásico 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 monofásicode 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 Tí y Tí son operativos,mientras que TI y T2 se des activan por inhibición de señal a compuerta. En la figura 12.9 semuestra la ampliación de la transferencia de canal monofásica a transferencia de canal trifásica.

Punto clave de la sección 12.5

• Dos o más 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 conmutación rápida 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

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558 Capítulo 12 Interruptores estáticos

FIGURA 12.10

Interruptor de un polo para cd con transistor.

@ Alternador

® Motor de arranque

FIGURA 12.11

++

Fuentede cd Vs

~

gVoltaje deexcitación

O t de base

~f----T •: : A las cargas de 42 volts

--L..r- 1----T Cajas de distribución

L- __ ----' con interruptoresy fusibles

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

Convertidor -=- 14V Tcd/cd 1-

Sistemas de energía en automóviles con 42 V [Ref. 6].

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

La demanda de potencia de los vehículos automotores está en constante aumento [3]. Lasrazones de ello se debe a la inclusión de funciones nuevas, como calentamiento de parabrisas yprecalentamiento de los convertidores catalíticos, y también hay razones financieras como lareducción del consumo de gasolina y la reducción de emisiones. La electrónica de potencia en-cuentra aplicaciones potenciales para la conversión de potencia, así como para los interruptoresestáticos, en la industria automotriz. La figura 12.11 muestra el diagrama de bloques de un siste-ma eléctrico 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 óxido 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 mínima corriente de compuerta, los MOSFET de potencia seusan cada vez más en aplicaciones como interruptores estáticos. La figura 12.12 muestra un inte-rruptor MOSFET de canal N. La introducción de los sistemas eléctricos adicionales de 42 V enla industria automotriz abre oportunidades al uso de semiconductores de potencia. Los sistemaselectromecánicos están sustituyendo a los mecánicos, por ejemplo, en las bombas mecánicas deagua y en las direcciones hidráulicas.

Interruptores inteligentes de potencia. A medida que la microelectrónica tiene cada vezmás aplicaciones, en especial en las tecnologías de auto matización y automotriz, se pide mayor

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12.6 Interruptores de cd 559

+ VDD

Carga

+V Señal lógica

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 electromecánicas convencionales. Los ejemplos son un circuito integradode activación inteligente para transistores de potencia así 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 más 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 conmutación forzada. Sin embargo, los GTO se pue-den desactivar por control de compuerta.

Si se usan tiristores con conmutación forzada, el circuito de conmutación 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 través 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 través 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 acción de conmutación, y se puede evitar que haya un voltaje negativo en el capacitor

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1

5,

1,

4 ST 1, Detección'1 oo~~~ 1

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

560 Capítulo 12 Interruptores estáticos

ESD LógicaCarga

(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). (Cortesía de Siemens Semiconductor Group, Alemania).

conectando un resistor y un diodo, como muestra la figura 12.14 en línea interrumpida. No es muyfácil des activar circuitos de cd, y los interruptores estáticos 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 fusión) [1] y también se puedenusar como disyuntores de acción rápida [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 aplicándole un pulso negativo corto a su com-puerta, y no requiere circuito alguno de conmutación. En la figura 12.5 se muestra un interruptorGTO de un polo.

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12.7 Relevadores de estado sólido 561

+

Alimentaciónde cd Vs

IIIIIIII

DrntIIIIIIIII

FIGURA 12.14

Interruptor de cd de un polo con tiristor.

+

AlimentaciónVs de cd

Punto clave de la sección 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 también sustituir a los interruptores electro-mecánicos.

12.7 RELEVADORES DE ESTADO SÓLIDO

Los interruptores estáticos de pueden usar como relevadores de estado sólido (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, calefacción con resistencias)para reemplazar los relevado res electromecánicos. Para las aplicaciones con ea se pueden usartiristores o TRIAC, y para aplicaciones con cd se usan transistores. En el caso normal, los SSR seaíslan eléctricamente entre el circuito de control y el circuito de carga mediante un relevador tiporeed (o de lengüeta o de láminas), un transformador o un optoacoplador.

La figura 12.16 muestra dos circuitos básicos de SSR para cd, uno con aislamiento de releva-dor tipo reed y el otro con un optoacoplador. Aunque el circuito monofásico 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 aplicación demandan tiristores para altos valores depotencia, también se puede usar el circuito de la figura 12.1a para operar un SSR, aun cuando au-mentaría la complejidad del circuito de disparo.

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562 Capítulo 12 Interruptores estáticos

+ + + +vo

R. §RLvo

eleva or deV, V, láminas

-11 Alimentación1 deed11

JlLgJ¡- -=----ti -.

O 1 --.1

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

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

FIGURA 12.16

Relevadores de estado sólido para ed.

Punto clave de la sección 12.7

• Los relevadores de estado sólido (SSR) se usan en muchas aplicaciones, en control industrial,para sustituir a los relevadores electromecánicos. En el caso normal se aíslan eléctricamenteentre el circuito de control y la carga.

+ + + +

vov;

RL

v, v,Alimentación

TRl deca

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

+ +

v

(e) Aislamiento por optoacoplador

FIGURA 12.17

Relevadores de estado sólido para ea.

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12.8 RELEVADO RES MICROELECTRÓNICOS

12.8 Relevadores microelectrónicos 563

Los MER son sustitutos de estado sólido, normalmente abiertos, de relevadores electromecánicospara conmutación general de señales analógicas [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 económicamente asequible y bastante compacto (PVG, dephotovoLtaic generator) sólo produce una salida débil. Un PVG práctico puede generar variosvolts a circuito abierto, pero sólo microamperes de corriente de salida. La salida del PVG se usapara activar un MOSFET. Un MOSFET de potencia moderno sólo requiere de algunos volts deseñal para tener conducción total, pero requiere en esencia cero corriente de estado estable. Sólose requiere energía transitoria para cargar la capacitancia de compuerta para activar al MOSFETy sostener su conducción. Una corriente de carga de sólo algunos microamperes puede activarun MOSFET típico en una pequeña fracción de milisegundo, respuesta rápida en relación conlos tiempos de conmutación electromecánicos. Por consiguiente, se usa el generador fotovoltaicoen conjunto con una compuerta de metal óxido semiconductor (MOS). Los tiristores y los tran-sistores bipolares requieren demasiada corriente de activación, 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 óptico energiza un PVG formado

PVGMOSFETbidireccional

LED

~ntwtf ~ :R1

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

CAoCD

(e) Dos MOSFET

FIGURA 12.18

Relevador fotovoltaico (5).

Ánodo2 + - 8

Drenaje

Salida AC/DC

Cátodo3 - 5

Drenaje

(b) Símbolo simplificado

14 8

(d) Dos IGBT

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564 Capítulo 12 Interruptores estáticos

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

Un LED puede controlar más de un dispositivo, como se ve en la figura 12.18c donde haydos MOSFET, y en la figura 12.18d, con IGBT. Los parámetros de operación de los relevadoresfotovoltaicos son ideales para conmutar cargas de señal de bajo nivel en instrumentación y ad-quisición de datos, hasta cargas de potencia intermedia en controles industriales y en automati-zación 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 láminas ofre-ciendo las ventajas del estado sólido, de larga duración, alta velocidad de operación, bajo consu-mo de potencia, operación sin rebotes, entrada no inductiva, insensibilidad a la posición y a loscampos magnéticos, resistencia extrema al choque y a las vibraciones, bajos voltajes de derivatérmica y paquetes en miniatura para sus aplicaciones, como son control de procesos, rnultiplexa-do, equipo automático de pruebas y adquisición de datos.

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

+lOOmAMOSFETbidireccional

o

+50mA

':"'50mA

. -lOOmA

-200mA LL -'--- -'-- -'- --'

-l.OV -O.5V o +O.5V +l.OV

FIGURA 12.19

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

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12.8 Relevadores microelectrónicos 565

Comparación de salidas de MOSFET, tiristor o transistor bipolar de unión (BJT). La tec-nología MOS proporciona una analogía mucho mejor a un interruptor electromecánico ideal quela analogía de tiristor o de transistor bipolar que se usa en forma dominante como contactos desalida de los relevadores de estado sólido (SSR). En comparación con los tiristores, el MOSFETtiene una resistencia lineal en estado activo, en lugar de un umbral de 0.6 V en conducción ensentido directo, como se ve en la figura 12.19. Una conexión 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 comparación con los transistores bipolares,los MOSFET tienen menores voltajes en estado activo, mucho menores corrientes de fuga en esta-do inactivo, y lo más 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 características de los tiristores son adecuadas. Así, los PVR sustituyen a la sali-da de los SSR en aplicaciones donde se requiere conmutación rápida de señales desde microvoltshasta varios cientos de volts, sea de polaridad cd o ea, hasta el intervalo de radiofrecuencias. Seha acostumbrado el uso de relevadores de láminas y cápsula en estas aplicaciones. Los PVR pue-den proporcionar un equivalente funcional del relevador de láminas y tener las ventajas de laimplementación del estado sólido.

12.8.2 Aisladores fotovoltaicos

Un aislador fotovoltaico (PI, de photovoltaic iso/ator), como el de la figura 12.20, usa una conexiónde fotodiodos en serie, como fotorreceptor para formar un PVG aislado. En realidad, este tipo deaislador transforma la energía que cruza la barrera del aislamiento y crea una fuente aisladade voltaje. Los PI usan PVG de circuito integrado monolítico como salidas. Esas salidas se con-trolan con la radiación de un LED, que está ópticamente aislado del PVG. Son ideales para apli-caciones donde se requiera conmutación de alta corriente o alto voltaje con aislamiento ópticoentre los circuitos activadores de bajo nivel y los circuitos de carga para alta energía 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 diseñadores la flexibilidad de formar suspropios relevado res de estado sólido, a la medida, capaces de controlar cargas a bastante más de1000 V Y100 A.

LED

+ Generador fotovoltaico

II

ü·

FIGURA 12.20

Fotoaislador.

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566 Capítulo 12 Interruptores estáticos

LED

TIpos deo::: fotorreceptoresUCIl

FIGURA 12.21

Dispositivo fotoaislado [5].

Comparación 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 también fotoacopladores) reciben radiación óptica de un LEDdieléctricamente aislado. Esta radiación 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 través de la resistencia decarga RL.

Punto clave de la sección U.S

• Los MER son sustitutos de estado sólido, normalmente abiertos, de los relevadores elec-tromecánicos para conmutación de propósito general de pequeñas señales analógicas. Sonde dos tipos: a) relevadores fotovoltaicos y b) aisladores fotovoltaicos. Pueden contenerMOSFET o IGBT.

12.9 DISEÑO DE INTERRUPTORES ESTÁTICOS

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

Ejemplo 12.1 Determinación de las especificaciones de un interruptor monofásico para ea

Se usa un interruptor monofásico de ea con la configuración 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 ángulos de disparo de los tiristores.

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Referencias 567

SoluciónPo = 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-ción (12.2), la corriente promedio es lA = 66.96I7r = 21.31 A, Yde la ecuación (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°. Así, el ángulo de disparo de TI es al = 28.36° Ypara el tiristorT2 es 0.2 = 180° + 28.36° = 208.36°.

Ejemplo12.2 Determinación de las especificaciones del tiristor en un interruptordeeatrifásica

Se usa un interruptor de ea trifásica, con la configuración de la figura 12.5a, entre una fuente trifásica de 440V, 60 Hz, y una carga trifásica 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.

SoluciónPo = 20,000 W, FP = 0.707 V, VL = 440 V YVs = 440/V3 = 254.03 V. La corriente de línea 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 sección 12.9

• El diseño de un interruptor estático requiere calcular las especificaciones de voltaje y co-rriente de los dispositivos de potencia.

RESUMEN

Los interruptores de estado sólido para ea y cd tienen varias ventajes sobre los interruptores yrelevadores electromecánicos convencionales. Los avances en los dispositivos semiconductoresde potencia y los circuitos integrados permiten usar los interruptores estáticos en una ampliagama de aplicaciones de control industrial. Se pueden interconectar los interruptores estáticos consistemas de control digital o computarizado. Los MER que usan un PVG se usan en aplicacionesde conmutación de cargas de señal de bajo nivel, en instrumentación y adquisición de datos hastacon cargas de potencia intermedia, en controles industriales y en automatización 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, Págs. 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, Págs. 1176--1181.

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568 Capítulo 12 Interruptores estáticos

[3] A. Graf, D. Yogel, J. Gantioler y F. Klotz, Intelligent Power Semiconductors for Future AutomotiveElectrical Systems, 17" Reunión "Elektronik im Kraftfahrzeug", Munich, 3-4 de junio de 1997, Págs. 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, Págs. 34-39.

PREGUNTAS DE REPASO

U.l ¿Qué es un interruptor estático?U.2 ¿Cuáles son las diferencias entre los interruptores de ea y de cd?U.3 ¿Cuáles son las ventajas de los interruptores estáticos sobre los interruptores mecánicos o electro-

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

de ea?U.9 ¿Cuál es el principio de operación de los SSR?

U.lO ¿Cuáles son los métodos para aislar el circuito de control del circuito de carga de los SSR?U.11 ¿Cuáles son los factores que intervienen en el diseño de los interruptores de cd?U.U ¿Cuáles son los factores que intervienen en el diseño de los interruptores de ea?U.13 ¿Qué tipo de conmutación requieren los interruptores de cd?U.l4 ¿Qué tipo de conmutación requieren los interruptores de ca?U.lS ¿Qué es un relevador microelectrónico?U.l6 ¿Cuáles son las ventajas y las limitaciones de un re levador microelectrónico?U.l7 ¿Qué es un relevador fotovoltaico?U.l8 ¿Qué es un aislador fotovoltaico?

PROBLEMAS

U.l Se usa un interruptor de ea monofásica con la configuración 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 ángulos de disparo de los tiristores TI y T2, en el problema 12.1.U.3 Un interruptor de ea monofásica con la configuración 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 monofásica, con la configuración 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 ángulos de disparo del tiristor TI en el problema 12.4.U.6 Se usa un interruptor de ea trifásica, con la configuración de la figura 12.5a, entre una fuente trifásica

de 440 Y, 60 Hz y una carga trifásica 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 ángulos de disparo de los tiristores en el problema 12.6.

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Problemas 569

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

60 Hz y una carga trifásica 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 alimentación 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, después 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 especificación de corriente rms del capacitor C.U.13 Para el problema 12.12, determine el tiempo requerido para que se descargue el capacitor desde 2Vs

hasta 1.0 A después de disparar el tiristor T2.