Electrónica de Potencia

Por Newton C. Braga

La electrónica es un tema muy extenso. En nuestra larga carrera como educador, orador en eventos y principalmente autor de libros y artículos técnicos escribimos cientos de miles de páginas sobre el tema y más de 150 libros publicados en diversos países. Una de las series de mayor éxito, adoptada en escuelas de diversos países es la denominada Curso de Electrónica que ya tuvo diversos volúmenes publicados en español como Electrónica Analógica, Electrónica Básica y Electrónica Digital en dos volúmenes. Hemos llegado a un nuevo volumen abordando un tema de extrema importancia en la actualidad con aplicaciones de la industria, automación, robótica, electrónica embarcada, aeroespacial y mucho más. Se trata de los semiconductores de potencia que consisten en una clase separada de componentes que necesitan un estudio apropiado por parte de todos los que los necesitan. Este volumen hace justamente eso, enseñando cómo funcionan los semiconductores de potencia de una forma simple directa, dando aplicaciones prácticas y los conocimientos básicos para aquellos que pretenden convertirse en ingenieros o proyectistas, con un avance en los cálculos que involucran su uso. Sugerimos que antes de la lectura de este volumen los lectores hayan obtenido previamente conocimientos básicos en los volúmenes anteriores citados arriba.

• Idioma: Español
• Editorial: Editora NCB
• Fecha de lanzamiento: 4 feb 2019
• ISBN: 9788595680524

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2018 

Lección 1 - Unidades - Energía

En este capítulo vamos a revisar los conceptos de las unidades básicas de tensión, corriente y potencia, fundamentales para nuestro estudio. Además, veremos cómo la energía se transmite y se utiliza en los circuitos de potencia con un énfasis en la corriente alterna de la red local y trifásica, así como fuentes de corriente continua de alta potencia como las baterías que se pueden utilizar en los inversores, Vehículos y otras aplicaciones.

1.1 – Electrónica de potencia

1.2 - Unidades eléctricas (revisión)

1.3 – Potencia continua y alterna

1.4 – Alternadores

1.5 – Energía bifásica y trifásica

1.6 - Energía activa y energía reactiva

1.7 - Impedancia

1.8 - Electrónica de potencia

Cuando hablamos de electrónica de potencia nos referimos a circuitos y dispositivos que operan con intensas corrientes y eventualmente altas tensiones, dando como resultado el manejo de potencias elevadas.

Como estos circuitos y dispositivos se encuentran generalmente en las industrias, en el control de la maquinaria pesada y del otro automatismo, es común que esta rama de la electrónica también se trata como electrónica industrial, automatización industrial, o incluso mecatrónica.

El término Mecatrónica se debe al hecho de que en la mayoría de los casos los dispositivos y circuitos de potencia se utilizan para controlar equipos mecánicos como maquinaria industrial, automatismo, vehículos, brazos robóticos, robots autónomos, etc.

Así, en este volumen de este curso tratamos inicialmente con dispositivos electrónicos y componentes que operan con corrientes intensas y eventualmente altas tensiones, manejando potencias elevadas.

En un volumen posterior nos ocuparemos de los circuitos que lo hacen como inversores de potencia, controles de potencia, disyuntores, circuitos de protección y muchos otros.

También observamos que muchos de los dispositivos que abordaremos no manejan potencias elevadas, sino que se utilizan en el control de dispositivos de alta potencia, por lo que es importante incluirlas en nuestros estudios.

En este grupo, se enmarcan pequeños dispositivos como Diacs, SIDACs, Sus, SBS, etc.

Finalmente recordamos que los conceptos básicos utilizados en este libro fueron estudiados en los volúmenes anteriores de esta serie, en particular el Curso de Electrónica - Electrónica Básica - Vol. 1, y Curso de Electrónica – Electrónica Analógica – Vol. 2 – del mismo autor.

1.2 – Unidades Eléctricas

En este punto realizaremos una pequeña revisión de las principales unidades eléctricas, con énfasis en la corriente, tensión y potencia, cuyo conocimiento debe estar muy bien definido, de manera que no tenga dudas en la comprensión del principio de funcionamiento de los componentes y circuitos de energía.

Si el lector tiene un conocimiento firme de este tema, puede omitir este elemento yendo al siguiente.

Entonces comenzamos revisando un concepto de vital importancia para la electrónica de potencia: la conservación de la energía.

1.2.1– Principio de Conservación de Energía

Un principio muy importante que a menudo se recordará cuando se estudian los fenómenos eléctricos es la conservación de la energía. Este principio afirma que la energía no puede ser creada o destruida, siempre conserva.

Así que cuando una batería alimenta una lámpara, la luz producida tiene la misma cantidad de energía que la batería gasta para ello. De manera similar, si usted tiene un amplificador, la cantidad de sonido obtenida (energía) es la misma que la cantidad de energía eléctrica que consume cuando está enchufada en el tomacorriente.

En otras palabras, en los procesos que estudiamos que involucran la electricidad, la cantidad de energía presente siempre será la misma. Va a ir de un tipo a otro, lo que significa que va a girar.

Vea en la figura 1 un ejemplo, en el que la energía química liberada dentro de la pila se convierte en energía eléctrica que luego alimenta una lámpara convirtiéndose en energía luminosa (luz) y calor (la lámpara se calienta). Si medimos la cantidad de luz y calor producida por la lámpara, veremos qué es exactamente igual a la cantidad de energía liberada en el proceso químico dentro de la batería.

Figura 1 -Ejemplo de conversión de energía

Lavoisier (1743 – 1794)

Moto Perpetuo

Este nombre se utiliza para describir el intento de muchos para construir un motor perpetuo, un motor que funciona sin necesidad de energía. Evidentemente nadie ha conseguido todavía porque contradice los principios de la física, específicamente el de la conservación de la energía que hemos visto. La energía no se puede crear, tiene que venir de alguna parte. Además de varias ideas, que no funcionaban, que incluían recursos mecánicos como el de la figura A, hay ideas que involucran la electricidad.

Figura A - El agua que llena el balde superior hace el peso y baja causando que el mecanismo gire indefinidamente. ¿por qué no funciona?

Una es conectar un motor a una dinamo y luego alimentar el motor por la dinamo, como se muestra en la figura B.

Figura B – ¿Un moto perpetuo?

¿Por qué no funciona? Simplemente porque los rendimientos del motor y del dínamo no son 100%. La dinamo no convierte toda la energía mecánica que recibe en electricidad, por lo que va al motor un poco menos de energía eléctrica que la recibida en forma de energía mecánica. Del mismo modo, el motor no convierte el 100% de energía eléctrica en mecánica, por lo que no transfiere a lo dínamo toda la energía. La dinamo en este ciclo ya recibe menos, y con esa menor cantidad de energía se genera, y en el proceso la energía está cayendo hasta que todo se detiene... Incluso si el proceso fue 100% de rendimiento, en el momento en que tomamos parte de la energía para alimentar algo externo, la energía del sistema cae y reduce su velocidad hasta que se detenga...

1.2.2 – Comprensión de las unidades - Corriente, Voltaje y Energía

Es un hecho inaceptable que muchos profesionales de la electrónica pueden confundir magnitudes eléctricas, tales como corriente, tensión y potencia. Usando estas magnitudes de la manera incorrecta se puede causar serios problemas de funcionamiento de un equipo o incluso comprometer la seguridad y lo que puede ser mucho más grave: descréditos de la competencia de los profesionales o cualquier profesional de la electrónica.

Este Artículo, indicado a los que todavía hacen confusión, buscamos de una manera sencilla eliminar las confusiones que aún pueden existir.

Es común ver a profesionales usando forma totalmente incorrecta las magnitudes eléctricas, tensión confusa, corriente y energía.

¿Quién no ha oído a un profesional competente decir que cual dispositivo funciona con una corriente de 110 V o algo así?

¡Para un estudiante de electrónica que hace tal declaración lo menos que se recomienda es un cero o un buen castigo!

Incluso algunos que ya no hacen este tipo de cita a veces pueden tener dudas que muestran que la confusión sobre la corriente, tensión y también la potencia persiste en muchos casos.

Es el caso de algunos lectores que se preguntan cómo una fuente que proporciona una tensión de salida de 12 V bajo corriente de 2 Ampere máximo tiene su entrada protegida por un fusible de sólo 500 mA, colocado en la línea de 110 V.

Tratando de eliminar definitivamente las dudas de los lectores y evitar alguna confusión que tenemos este Artículo Que ciertamente no es bueno para los ingenieros y técnicos de alto nivel que son atentos y actualizado, aparte de los que andan un poco olvidados o quieren reciclar el conocimiento (que siempre es bueno), lo que ayudaría mucho a entender mejor los diferentes capítulos de este libro.

CORRIENTE Y TENSIÓN (*)

(*) Es común en algunas partes usar el término voltage en lugar de tensión, mas eso no es correcto, pues voltage viene de volts que es la unidad e non la grandeza.

Una corriente es un flujo de cargas eléctricas.

Electrones libres que se mueven en un alambre de cobre forman una corriente eléctrica.

La medida de esta corriente se hace de acuerdo con la cantidad de electrones o cargas que pasan a través de un punto de ese alambre en cada instante, como se muestra en la figura 2.

Figura 2 -La cantidad de cargas que pasan a través de un sector = corriente

Cuantas más cargas pasan a través de este punto, mayor es la intensidad de la corriente.

Decimos cargas y no simplemente electrones, porque como sabemos, la corriente puede ser obtenida cuando los electrones libres se mueven en un sentido, caso de un metal, como boquetes en la dirección opuesta como, Por ejemplo, en un semiconductor de tipo P.

Para medir esta corriente, la unidad utilizada es el amplificador (A).

Un ampere (1 A) corresponde a una cantidad de cargas equivalentes a 1 Coulomb (1 C) pasando por un punto de un conductor en cada segundo.

Llevando en cuenta que cada electrón (o hueco) tiene una carga de 1.6 x10 - 19 Coulomb, podemos tener una idea de cuántos electrones se están moviendo en un alambre y pasar por cierto tramo de esta cuando una corriente de 1 A se está llevando a cabo.

Si los lectores piensan que la velocidad de estos electrones es demasiado grande, se equivocan.

Aquí es donde entra en el concepto de tensión.

Como una corriente de agua en una tubería, la electricidad necesita ser empujada por una fuerza externa.

La acción externa responsable de esto es precisamente la tensión.

Así que tenemos varias formas de expresar esta fuerza externa:

Una es tomar como referencia la diferencia de presión que existe entre los extremos de un alambre, donde se establece la corriente, como se muestra en la figura 3.

Figura 3 – Diferencia de potencial o DDP

Es como si tuviéramos un reservorio de agua de 10 metros de altura y establecemos un flujo de agua a través de una tubería con la salida a 5 metros de altura.

La diferencia entre los niveles de agua o presiones es de 5 metros, como se muestra en la figura 4.

Figura 4 – Analogía hidráulica

Para la electricidad podemos tener la caja de agua en un potencial de 10 volts y el extremo del alambre en un potencial de 5 volts de modo que la diferencia potencial o d.d.p. Será de 5 volts.

En otras palabras, podemos indicar como causa para la circulación de una corriente la diferencia de potencial entre los extremos de un alambre o circuito.

Otra manera es siempre expresar la presión que podemos tener en una tubería de agua tomando como referencia, por ejemplo, el nivel del mar, como se muestra en la figura 5.

Figura 5 – Expresión del potencial de un nivel de referencia

Al hacerlo, no vamos a necesitar saber cuál es el potencial en el que cada extremo del cable.

Podemos simplemente decir que el potencial o la tensión en el alambre es de tantos volts, refiriéndose a la fuerza disponible para empujar la corriente y teniendo en cuenta que el otro extremo está en el nivel de referencia o cero, como se muestra en la figura 6.

Figura 6 – Tensiones positivas y negativas

Vea entonces que mientras la tensión es la causa del movimiento de las cargas la corriente es el efecto, o sea, el movimiento de estas cargas.

Sin tensión no hay circulación de corriente, pero hay una tensión que se puede manifestar sin corriente.

Entre los polos partir de una batería, por ejemplo, se manifiesta una diferencia de potencial, o sea, existe la posibilidad de que la batería aplique una tensión en un circuito.

Sin embargo, sólo habrá corriente en el momento en que se conecta a los polos de la pila un medio o un circuito donde la corriente puede fluir.

En una toma de corriente hay una tensión de 110 V, pero la corriente sólo existirá en el momento en que algún dispositivo esté conectado a esta toma de corriente.

CORRIENTE X TENSIÓN = ENERGÍA

Un hecho importante que todos los profesionales de la electrónica debe tener en cuenta es que uno no puede crear energía de la nada. Ya hemos visto esto cuando se trata del principio de la conservación de la energía.

La energía suministrada a un circuito eléctrico depende tanto de la tensión como de la corriente.

Es la fuerza con la cual las cargas eléctricas se empujan sobre un alambre y su cantidad que depende de la cantidad de energía que un circuito puede recibir en cada instante, es decir su potencia

Así, la energía eléctrica de un circuito, como se muestra en la figura 7, es dado por el producto de la tensión por la corriente.

Figura 7 – Potencia eléctrica en un circuito

La potencia, que se mide en watts (W), es una característica de un circuito y por lo general no puede ser alterada.

Sin embargo, se puede modificar la forma en que se puede suministrar esta potencia al circuito.

Así, si un circuito necesita 100 watts para trabajar, podemos diseñarlo de tal manera que sea alimentado por 20 volts, en cuyo caso la corriente que circulará en funcionamiento normal (despreciando las pérdidas) será de 5 Ampere, ya que podemos diseñarlo para Opere con 50 volts, en cuyo caso la corriente será de 2 amperios.

En los circuitos electrónicos encontramos tensiones de varios valores, así como corrientes que dependen de lo que se está alimentando.

Y en la alimentación externa de los circuitos también tenemos varias posibilidades.

Un ejemplo de esto está en nuestra propia instalación eléctrica.

Si tenemos una ducha que debe funcionar con una potencia de 2 200 watts , que se considera razonable para dar una buena calefacción a un flujo normal de agua tenemos dos posibilidades de alimentarlo:

Si conectamos esta ducha a la red de 110 V, para obtener los 2 200 watts, la corriente que circulará será de 20 Ampere.

Si enchufamos la misma ducha en la red de 220 V, la corriente será de sólo 10 Ampere.

¡Usted ve que no estamos ahorrando energía en el segundo caso!

Pagamos por los watts multiplicados por el momento en que la ducha está encendida, y en ambos casos la potencia es de 2 200 watts.

Entonces, ¿cuál es la ventaja?

Los cables que llevan la energía eléctrica tienen una cierta resistencia que depende de su grueso y de su longitud.

Del mismo modo, dependiendo del espesor, los cables presentan una cierta limitación a la intensidad de la corriente que puede conducir.

Así que si usamos la red de 110 volts para transferir energía a una ducha y su

instalación usando cables largos tenemos dos problemas a considerar.

La primera ' que la corriente debe ser el doble de grande que, si usamos 220 volts, incluso con la misma potencia, lo que significa que necesitamos un cable más grueso (que es más caro).

La segunda es que, las pérdidas que ocurren en un cable dependen de su resistencia y también de la corriente.

Una corriente más intensa significa que en la misma ruta tenemos mayores pérdidas de energía.

Vamos a dar un ejemplo numérico:

Digamos que para la ducha que a 110 volts requiere una corriente de 20 Ampere, tenemos que usar un cable que tiene una resistencia de 1 Ohm, como se muestra en la figura 8.

Figura 8 – Pérdidas en el poder de una ducha con 110 V

La caída de tensión ser dado para:

V = R x I

Donde: 

V es la caída de tensión en el cable, es decir, la disminución de la tensión en el circuito en volts.

R es la resistencia del alambre en ohm

I es la intensidad de la corriente en Ampere

V = 1 x 20

V = 20 volts

Vea entonces que en la ducha sólo tendremos 90 volts en lugar de la 110 aplicada, porque 20 volts se pierden en los cables.

El poder que estos 20 Volts Representar también es preocupante:

P = V x I

Donde: 

P es la energía disipada en el alambre en watts

V es la caída de tensión en el cable en volts

I es la intensidad actual en Ampere

P = 20 x 20

P = 400 watts

Ahora, esos 400 watts perdidos en la instalación se convertirán en calor, calentando los cables, ¡lo cual es realmente preocupante!

Si usamos 220 V en la misma ducha, incluso con una instalación que tiene 1 Ohm, las cosas cambian:

Recuerde que, en este caso, para obtener el 2 200 Watts la corriente será de 10 Ampere.

La caída de tensión sólo será de 10 volts, lo que significa que, en lugar de 220 V en la ducha, tendremos 210 volts.

La energía perdida en el alambre y disipada en forma de calor será:

Las pérdidas son mucho más pequeñas en este caso, es consecuentemente el calentamiento de la instalación.

Esta es la razón por la que damos preferencia a las tensiones más altas cuando debemos alimentar circuitos de alta potencia o transmitir energía eléctrica a través de cables largos.

Otro caso importante que implica las dos magnitudes, tensión y corriente, ocurre en un transformador o una fuente de alimentación, como se muestra en la figura 9.

Figura 9 – Tensión y corriente en un transformador

Si la fuente proporciona 12 V con una corriente máxima de 1 amperio, y en la entrada la tensión aplicada es 120 volts, ¿cuál será la corriente que circular por el circuito de entrada?

Asumiendo que esta fuente tiene un rendimiento cercano al 100% que significa que la potencia del circuito de entrada será la misma que el circuito de salida.

En el circuito de salida la potencia será:

P = V x I

P = 12 x 1

P = 12 watts

(12 volts con 1 ampère)

En la entrada tendremos el mismo poder: 12 watts.

La corriente será entonces:

I = P/V

I = 12/120

I = 0,1 A

Vea entonces que la corriente será solamente 0.1 a o 100 mA.

Un fusible de 500 mA se puede emplear en esta fuente, protegiendo el circuito de entrada, incluso considerando que su salida es 1A.

1.3 – Potencia continua y alterna

Una corriente que fluye siempre en la misma dirección y con la misma intensidad, como ocurre cuando conectamos una lámpara a una batería, se llama corriente continua. Podemos abreviar esta designación por CC o incluso, utilizando el término americano direct current por DC. En la figura 10 tenemos el gráfico que indica la intensidad de una corriente continua con el tiempo.

Figura 10 – Una corriente continua no varía con el tiempo. El voltaje en el circuito permanece constante

Nótese que para provocar una corriente continua necesitamos establecer en su circuito una tensión constante, esto es, una tensión que también es continua.

Sin embargo, en aplicaciones de energía que hacen uso de la energía de la red de distribución, el tipo de corriente encontrada es otro.

Esta corriente es generada por alternadores cuyo principio de funcionamiento ha sido analizado en nuestro curso de electrónica analógica (Vol. 2). El lector podrá revisar su principio de funcionamiento en esa edición del mismo autor.

A medida que estudiamos, en la salida de un alternador tenemos una corriente que varía entre máximo y mínimo regularmente, es decir, invierte constantemente la dirección de circulación, que corresponde a una corriente alterna.

Vemos entonces que, si conectamos un receptor a un generador de este tipo, la mitad del tiempo de un ciclo, la corriente circula en una dirección, y en la otra mitad circula en la dirección opuesta. La energía de la red pública y utilizada en las industrias y otras aplicaciones es de este tipo.

Como estudiamos anteriormente, podemos representar la corriente generada por este tipo de generador por una curva llamada sinusoidal, como se muestra en la figura 11.

Figura 11 – Representación de corriente alterna por una senóide

El generador que produce la energía que consumimos da 60 vueltas por segundo, Lo que significa que cada segundo la corriente circula 60 veces en una dirección y 60 veces en la dirección opuesta. Decimos que la corriente de la red pública que alimenta residencias, instalaciones comerciales e industriales y otras se alterna con una frecuencia de 60 Hertz (Hz).

Hay países, como Argentina, España, Chile, Paraguay, Uruguay y Bolivia donde la corriente generada tiene una frecuencia diferente, como 50 Hz. lo interesante es que