CORRIENTE DIRECTA A CORRIENTE ALTERNA Inversor.
Un inversor es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente directa que puede estar alacenada alacenada en un !anco de !aterías a un tipo de energía alterna alterna o de corriente alterna para poder poder utilizarla utilizarla en los aparatos do"sticos e industriales. Teniendo Teniendo en cuenta el volta#e de salida necesario$ %a sea de &'() o de ''() dependiendo si se trata de una instalaci*n ono+,sica o !i+,sica$ a una +recuencia +recuencia de -(z.
El uso priordial de un inversor$ es poder suinistrar corriente alterna de !uena calidad % con la enor distorsi*n ar*nica posi!le$ posi!le$ para evitar da/os en las cargas a las que estos est,n dispuestos a alientar. alientar. Este dispositivo dispositivo es epleado principalente en sisteas de eergencia o de respaldo de energía. 0ara poder llevar a ca!o la conversi*n de DC a AC es necesario contar con los siguie siguientes ntes
!loques !loques que que nos a%ude a%uden n a con#unta con#untarr la red red el"ctri el"ctrica ca
do"stica.
1igura 2.&. Diagraa a !loques de un inversor.
1uente de DC
.
La +uente de DC se con+ora principalente con un !anco de !aterías$ el cual requiere la recti3caci*n de la corriente alterna para poder recargarse en el oento en que su volta#e volta#e de salida se encuentre !a#o. Esto se realiza por edio de un cargador de !aterías el cual entra al oento de que que el sistea se encienda. El !anco de !aterías se con+ora por !aterías conectadas en serie 4asta alcanzar el volta#e deseado$ teniendo en cuenta que estas pilas de!en tener el iso rendiiento$ rendiiento$ es decir el iso valor valor en volta#e % en aperes54ora. aperes54ora. Dependiendo del tipo % del taa/o de la carga$ carga$ es posi!le deterinar el tipo de !aterías a utilizar.
6loque de potencia.
En el !loque de potencia el sistea de!e ser capaz de generar una onda alterna a partir partir de un volta#e continuo suinistrado por la +uente de DC. Esto lo podeos lograr gracias a la ipleentaci*n de cuatro transistores con su respectiva respectiva protecci*n con diodos conectados en paralelo con cada transistor.
1igura 2.'. Circuio !ase del Inversor 7 puente copleto.
0ara
este
!loque
es
necesario
contar
con
dispositivos
de
r,pida
conutaci*n que nos peritan generar una se/al de corriente alterna a partir de una de corriente directa con las enores p"rdidas posi!les$ los inversores de potencia son los que se recoiendan para esta aplicaci*n$ los cuales cuentan con una +uente de alientaci*n de corriente directa % a su vez
estar,n controlados controlados por edio de un sistea de control control que
peritir, la conutaci*n conutaci*n de los isos para para logar logar la conversi*n de directa directa a alterna.
Este circuito conuta por pare#as$ 8& % 89 periten generar el seiciclo positivo de la se/al alterna de salida ientras que 8' % 8: activar,n el seiciclo negativo de la se/al alterna de salida.
1igura 2.:.;e/ales de entrada 8&$89 % 8'$8:.
0ara una correcta operaci*n ser, necesario que el !loque de control genere dos se/ales des+asadas des+asadas &<(= entre sí$ se/al & % se/al ' en la 3gura 2.:$ las cuales 4ar,n conutar conut ar los transistores transisto res de potencia a la velocidad requerida.
En el caso de cargas con coponente inductiva es posi!le que se presenten pro!leas pro!leas
de
conutaci*n conutaci*n de los transistores de!ido de!ido a la
corriente reactiva reactiva que >u%e por ellas. Ade,s$ Ade,s$ si la inductancia inductancia es u% elevada$ se presentar,n transitorios que pueden deteriorar el +uncionaiento de los seiconductores seiconductores de potencia.
0ara iniizar estos inconvenientes inconvenientes se opta opta por conectar diodos en antipara antiparalelo lelo con
los transisto transistores res$$ D& a D9 en la 3gura 3gura 2.'$ los los cuales cuales
redireccionan la corriente reactiva 4acia la !atería$
o +uente CC$ peritiendo antener una corriente constante so!re ella$ % previniendo previniendo a la vez el calentaiento calentaiento de los transistores. transistores.
•
Control.
Es el encargado de generar las dos se/ales que go!iernan la activaci*n % desactivaci*n desactivaci*n de los transistores transistores de potencia$ potencia$ +unci*n +unci*n que puede ser cuplida cuplida por un circuito circuito oscilador oscilador de onda cuadrada. cuadrada.
1igura 2.9. ?enerador de onda cuadrada asta!le.
6uscando proporcionar volta#es de salida que disinu%an el contenido ar*nico$ se 4an desarrollado di+erentes estrategias estrategi as de conutaci*n en inversores ono+,sicos@ ono+,sicos@ odulaci*n odulaci*n uni+ore de de anc4o de pulso pulso U0B$ odulaci*n trapezoidal$ odulaci*n senoidal de anc4o de pulso ;0B. ;in e!argo$ la t"cnica ,s utilizada es ;0B.
Conutaci*n ;0B
En la t"cnica de conutaci*n ;0B la aplitud de la se/al de salida se controla a trav"s del índice de odulaci*n
Donde Am % Ap representan las aplitudes de las se/ales oduladora % portadora respectivaente. A4ora$ la +recuencia de salida fose de3ne por edio
de
la
+recuencia +recuencia
la
se/al
oduladora. oduladora.
De
esta
anera$
las
características característ icas del volta#e por +ase se regulan odi3cando los par,etros M,fo. La estructura general del inversor ono+,sico se uestro en la 1igura 2.'$ donde se de!e deterinar el patr*n de conutaci*n conutaci*n para los eleentos Q1,Q2,Q3,Q4 $ con el o!#eto de producir producir un volta#e volta#e senoidal senoidal Vo a la salida del del puente inversor inversor a partir de un volta#e volta#e de alientaci*n alientaci*n Vdc constante.
En el esquea ;0B$ el patr*n patr*n de conutac conutaci*n i*n se genera genera al coparar coparar una se/al triangular Vtriportadora con una se/al senoidal oduladora negativo –Vcontrol (señal2) $ tal % coo se uestra Vcontrol (señal 1) % su negativo en la 1igura 2.2. El orden de encendido apagado se presenta@
Q1 Vcontrol>Vtri
Q4 Vcontrol
Q2
-
Vcontrol
-
Vcontrol>Vtri
1igura 2.2. ;e/al oduladora % se/ales portadoras.
1igura 2.-. )olta#e de salida !a#o una carga resistiva.
;e recoienda utilizar un icrocontrolador$ el cual provee una a%or >ei!ilidad a la 4ora de aplicar t"cnicas de control coo la odulaci*n por anc4o de pulsos$ % +acilita +acil ita la variaci*n de la +recuencia en el rango deseado.
El !loque de control puede realizar +unciones etras de onitorizaci*n % evaluaci*n de se/ales.
)eri3car si eiste alientaci*n al sistea para que se est" llevando a ca!o la recti3caci*n de la se/al de AC. )eri3car que el volta#e que est, llegando a esta +ase sea el adecuado para generar generar la salida necesaria.
El control ade,s de onitorizar ser, capaz de andar se/ales de alara en caso de que eista +alla +alla en algunos de los los !loques % podr, podr, desconectarlo desconectarlo del sistea para evitar evitar da/ar otras +ases.
•
Trans+orad Trans+orador or..
1inalente$ el trans+orador de salida perite regenerar la se/al para la carga$ es decir decir
andar una se/al senoidal con ínio ínio de ar*nicos %
antener el volta#e lo ,s posi!le esta!le esta!le para evitar evitar variaciones variaciones a la salida % posi!les da/os a las cargas conectadas.
Ta!i"n Ta!i"n nos sirve para proteger proteger el sistea$ puesto que en caso de corto circuito en la carga$ "ste no repercute repercute %a que se encuentra encuentra aislada. aislada.
•
Dispositivos utilizados.
Dentro de las características de los inversores$ se encuentra la protecci*n que "stos de!en tener al ane#ar un alto nivel de tensi*n. tensi*n. Est, dada dada cierta protecci*n protecci*n por un diodo diodo de protecci*n o de recuperaci*n recuperaci*n que evita el da/o del dispositivo. En algunos casos el diodo puede ponerse +ísicaente +ísicaente en el circuito$ pero en la actualidad los dispositivos inversores de potencia %a lo traen integrados integrados en su estructura interna$ coo es el caso caso de los O;1ETs e I?6Ts.
•
O;1ET.
Un O;1ET es un dispositivo de potencia controlado por volta#e$ el cual requiere requiere s*lo una peque/a corriente corriente de entrada. entrada. Dentro Dentro de sus característica características s encontraos que el tiepo tiepo de conutaci*n conutaci*n para estos dispositivos es del orden de nanosegundos por lo que su velocidad de conutaci*n conutaci*n es u% r,pida. Est, +orado por tres terinales$ el gate$ drain % source.
Tiene una versi*n N0N % otra 0N0. 0N0. El N0N es llaado llaado O;1ET de canal N % el 0N0 es llaado O;1ET de canal canal 0$ en el O;1ET O;1ET de canal N la parte parte FNF est, conectado a la +uente source % al drena#e drain ade,s que el el sustrato es de tipo 0 % di+usiones de tipo N ientras ientras que en el O;1ET de canal 0 la parte F0F est, conectado a la +uente source % al drena#e drain % el sustrato sustr ato es de tipo N % di+usiones de tipo 0.
1igura 2.G. a O;1ET canal N$ ! O;1ET canal 0.
1uncionaiento.
Tanto Tanto en el O;1ET de canal N o el de canal 0$ cuando no se aplica tensi*n en la copuerta no 4a% >u#o de corriente entre en drena#e drena#e drain % la +uente source.
1igura 2.<. a O;1ET canal N$ ! O;1ET canal 0.
0ara que circule corriente en un O;1ET de canal N se de!e aplicar una tensi*n positiva en la copuerta. Así Así los electrones electrones del canal N de la +uente source % el drena#e drena#e drain son atraídos atraídos a la copuerta gate gate % pasan por el canal 0 entre ellos.
El oviiento de estos electrones crea las condiciones para que aparezca un puente para para los electrones electrones entre el drena#e % la +uente. La aplitud o anc4ura de este puente % la cantidad de corriente depende o es controlada controlada por la tensi*n aplicada aplicada a la copuerta. copuerta. En el caso del O;1ET de canal 0$ se da una situaci*n siilar. Cuando se aplica una tensi*n negativa en la copuerta$ los 4uecos ausencia de electrones del canal 0 del drena#e % de la +uente son atraídos 4acia la copuerta % pasan pasan a trav"s del canal N que 4a% entre ellos$ ellos$ creando creando un puente entre entre drena#e % +uente. La aplitud o anc4ura del puente % la cantidad de corriente depende de la tensi*n aplicada a la copuerta. De!ido a la delgada capa de *ido que 4a% entre la copuerta % el seiconductor$ seiconductor$ no 4a% 4a% corriente corriente por la copuerta. copuerta. La corriente que circula circula entre drena#e drena#e % +uente aplicada a la copuerta.
es controlada controlada por la tensi*n tensi*n
En cuanto al coportaiento del dispositivo se puede aproiar a una resistencia entre las terinales de drain % source representada por R D; a la que se le conoce coo resistencia resistencia de conducci*n$ conducci*n$ cu%o valor disinu%e con el volta#e ) ?;. A esto esto se le conoce conoce coo la regi*n regi*n *4ica *4ica de de operaci*n. operaci*n. En la 3gura 2.H o!servaos la resistencia R D; que puede considerarse coo la
resistencia equivalente serie de todas las resistencias por las que atraviesa la corriente ID$ por lo que es iportante iportante reducir reducir lo ,s posi!le su valor para evitar p"rdidas en el ) D;.
1igura 2.H. Resistencia R D;
0ara evitar que suceda esto$ es necesario contar con un transistor con dopados no u% altos$ lo que perite liitar la concentraci*n de portadores$ de conductividad % de la resistencia R D;. Los O;1ET son dispositivos que requieren de poca energía en el gate para poder +uncionar$ así coo de contar con una velocidad de conutaci*n grande así coo su ipedancia de entrada.
Eisten tres zonas de tra!a#o para estos dispositivos@
ona de corte. La tensi*n en la terinal de control ) ?; no alcanza la tensi*n del u!ral u!ral necesario para la conducci*n$ conducci*n$ en esta zona el dispositivo se coporta coo un circuito a!ierto. ona activa. Donde la característica es pr,cticaente 4orizontal % en donde
la
coincidencia coincidencia de tensi*n corriente genera una potencia
considera!le. ona *4ica. En donde el coportaiento entre drain % source es igual al de una resistencia de !a#o !a#o valor considerada considerada coo coo R D;.
•
I?6T.
El I?6T es un dispositivo dispositivo 4í!rido que utiliza la tecnología tecnología de un transistor T6J con la de un dispositivo dispositivo O;1ET$ el cual es utiliza u tilizado do coo un conutador para alta tensi*n en donde el >u#o
de la corriente a trav"s del dispositivo es controlada por una +uente de volta#e de alta ipedancia noralente de valores !a#os lo que perite proveer una corriente elevada con una p"rdida p"rdida de energía en la parte del del control control !a#a.
Este dispositivo tiene una copuerta de tipo O;1ET lo que perite que tenga una un a ipedancia ipedancia alta a la entrada. ;oporta una tensi*n tensi*n de salida de 4asta '((() % corrientes de 9(( A entre el colector % el eisor. Consta de tres terinales$ ?ATE ?ATE o puerta$ Colector % Eisor$ el I?6T puede representarse tanto coo un t!# coo en la 3gura a$ o coo en la 3gura ! un O;1ET.
1igura 2.&( Representaci*n del I?6T.
K
0rin rincip cipio de +unci uncio ona naien iento % estructura.
La estructura del I?6T es siilar a la del O;1ET$ pero con la inclusi*n de una capa 0 que +ora el colector del I?6T. I?6T.
1igura 2.&& Estructura del I?6T.
?racias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas$ con un control sencillo de
tensi*n de puerta. La velocidad velocidad
a la
que pueden
tra!a#ar no es tan t an elevada coo la de los O;1ETs$ O;1ETs$ pero perite tra!a#ar en rangos de +recuencias +recuencias edias$ controlando controlando potencias potencias !astante elevadas. En t"rinos sipli3cados se puede analizar el I?6T coo un O;1ET en el cual la regi*n NM tiene su conductividad odulada por la in%ecci*n de portadores inoritarios agu#eros$ a partir de de la regi*n regi*n 0$ una vez que la Juntura & est, directaente polarizada. Esta a%or conductividad conductividad produce produce una enor caída de tensi*n en coparaci*n con un O;1ET siilar.
El control del coponente es an,logo al del O;1ET$ o sea$ por la aplicaci*n de una polarizaci*n entre puerta % eisor. Ta!i"n para el I?6T$ el accionaiento accionaiento o disparo se 4ace por tensi*n. La ,ia tensi*n tensi*n que puede soportar se deterina deterina por la uni*n Juntura ' polarizaci*n polarizaci*n directa directa % por Juntura & polarizaci*n polarizaci*n inversa. Coo Juntura & divide ' regiones regiones u% dopadas. El
I?6T no soporta tensiones elevadas elevadas cuando es polarizado polarizado
inversaente. Los I?6T presentan un tiristor par,sito. par,sito. La construcci*n construcci*n del dispositivo de!e ser tal que que evite el disparo de este tiristor$ especialente de!ido a las capacidades asociadas a la regi*n 0. Los coponentes odernos no presentan pro!leas relativos a este eleento indeseado.
K
La caract característ erística ica IM IM) del del +uncion +uncionaie aiento nto de de un I?6T I?6T.
El I?6T tiene una alta ipedancia de entrada coo el O;1ET$ % !a#as p"rdidas de conducci*n en estado activo coo el !ipolar$ pero no presenta pro!lea pro!lea alguno de ruptura secundaria secundaria coo los T6J.
1igura 2.&'. Caracter Característica ística IM) de un I?6T. I?6T.
El I?6T es in4erenteente ,s r,pido que el T6J. ;in e!argo$ la velocidad de conutaci*n con utaci*n del I?6T es in+erior a la de los O;1ETs. O;1ETs. Las liitaciones del I?6T son@
Corriente ,ia directa. Tensi*n Tensi*n ,ia entre entre drain % source source que depende depende de la tensi*n tensi*n de ruptura del transistor transisto r 0N0. 0N0. Teperatura de la uni*n ,ia &2(C
En la siguiente 3gura podeos o!servar un *dulo de I?6T@
1igura 1igura 2.&:*dulo I?6T. I?6T.
•
Coparaci*n entre los O;1ET I?6T.
A continuaci*n se presenta una !reve ta!la de coparaci*n de tensiones$ corrientes$ corrientes$ % +recuencias +recuencias que pueden soportar los distintos transistores transistores descritos.
T6J
O;1ET
I?6T
)olta#
&(((M
2((M&((()
&-((M
Corrien
G((M
'(M&((A
9((M
1recuen 0otenc
'2Pz edia
asta :((M
asta
6a#a Q
edias M
Ta!la Ta!la 2.&. Coparaci* Coparaci*n n de tensi*n entre transistores transistores..
Los valores encionados no son eactos$ dada la gran disparidad que se puede encontrar encontrar en el ercado. ercado. En general$ el producto producto tensi*nMcorriente tensi*nMcorriente es una constante estaos liitados liitados en potencia$ potencia$ es decir$ decir$ se puede encontrar encontrar un O;1ET de u% alta tensi*n pero pero con corriente reducida. Lo iso ocurre con las +recuencias de tra!a#o. Eisten !ipolares de poca potencia que tra!a#an tranquilaenteS tranquilaenteS a 2(Pz$ aunque no es lo ,s usual. u sual.
•
Inversores tri+,sicos. tri+,sicos.
En la industria es u% noral que los equipos que se utilicen sean alientados alientados por una +uente tri+,sica$ tri+,sica$ así que los sisteas inversores no s*lo se utilizan para para alientar a cargas cargas ono+,sicas$ ono+,sicas$
por tanto ta!i"n es
posi!le considerarlos para cargas tri+,sicas$ por edio de los ono+,sicos separados % cada uno produce una salida a la +recuencia +undaental por &'(= con respecto a la anterior$ lo que requiere requiere de un trans+orador de : +ases. 0ara este tipo de circuito se cuenta con tres patas que corresponden corresponden una por cada +ase. 0ara 0ara este caso$ un +actor +actor iportante a considerar considerar son los ar*nicos producidos a la salida$ puesto que cada una de las patas produce ar*nicos ipares.
Dentro de los inversores ,s usados por su respuesta % r,pida conutaci*n son los ig!t$ triac$ tiristores tiristores o *dulos *dulos de los isos. isos.
