Informe Componente Practico Electronica de Potencia

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – DISTANCIA – UNAD UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA

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Informe Práctica Electrónica de Potencia Curso 203039 JAIRO LUIS GUTIERREZ – DIRECTOR DIRECTOR DEL CURSO Cristian Alfonso Jerez Hernández; Código: 91473493; Grupo 6. Juan Camilo Mercado López Juan Camilo; Código: 1096223039 Luis Iván Amaya Bautista; Código: 1049622597: Grupo 6. John Alexander Alexander Roldan Código: 1088241872; [email protected] 1088241872; [email protected] ; Grupo 22. Escuela de Ciencias Básicas Tecnologías e Ingeniería – ECBTI. ECBTI. Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD. 23 de Mayo de 2017.

III. DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD RESUM RESUM EN

El presente documento corresponde al informe sobre el desarrollo del componente práctico del curso de Electrónica de potencia, mediante el cual se procura experimentar y ampliar los conocimientos propuestos de forma teórica en el curso sobre los semiconductores de potencia y sus circuiros de disparo. Practica llevada a cabo en las instalaciones de la sala CISCO del CEAD Bucaramanga de la UNAD.

Materiales estudiantes.    

Materiales centro.  

I.

II. 







INTRODUCCIÓN

El presente trabajo contiene la evidencia del desarrollo de las de las actividades requeridas para el componente práctico del curso, las cuales están indicadas en la guía de actividades y cuyo objetivo es desarrollar habilidades de identificaciones, selección y utilización de circuitos convertidores y acondicionadores de señales; basados en el uso de Semiconductores de potencia. Todo esto contextualizado en la estrategia de aprendizaje basado en proyectos en la cual se enmarca el curso y que garantiza la asimilación de los conocimientos propuestos.



Multímetro. Osciloscopio (incluir puntas de prueba). Fuente de poder regulada variable. (incluir cables). Generador de señal. (incluir cables).

PROCEDIMIENTO 1. El estudiante debe inscribirse para realizar las prácticas a

2. 3.

OBJETIVOS

Identificar y desarrollar los circuitos de disparo requeridos para semiconductores de potencia. potencia. SCR, MOSFET e IGBT.

4.

Desarrollar un análisis teórico-práctico sobre el comportamiento de estos componentes bajo diferentes voltajes y corrientes de disparo.

5.

Realizar las actividades prácticas propuestas para contextualizar el desarrollo de los componentes teóricos del curso de Electrónica de Potencia.

Todos los componentes electrónicos de cada circuito. Protoboard. Cables de conexión. Pinza y corta frio.

6.

través del aplicativo de oferta integrada de laboratorios en campus virtual http://academia.unad.edu.co/laboratorios/programacion. El intervalo de tiempo para desarrollar la práctica es informado en el momento que el estudiante se inscribe por el Aplicativo Oferta Integrada de Laboratorios - OIL. Es necesario que el estudiante verifique los componentes electrónicos solicitados en los experimentos, en caso tal que amerite la realización de cálculos previos por favor darle cumplimiento, con el fin que puedan adquirir los elementos antes de ir al centro a realizar la práctica. El producto esperado es la asistencia participación y un informe final en formato IEEE que el estudiante debe entregar a su tutor de prácticas. El tutor de prácticas de laboratorio asignado en el centro orientara y evaluara el desempeño del estudiante. El tutor deberá reportar la calificación final en el aplicativo de oferta integrada de laboratorios. Los estudiantes que se les haga imposible asistir a las prácticas (in-sito presencial) deben informar al tutor de prácticas asignado en su centro con soportes de justa causa la razón por la cual no podrán asistir, para que este decida si le autoriza la realización de la práctica de manera auto dirigida.

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3. Ajuste la corriente de puerta I G = IG1 (valor de corriente de

PRACTICA No.1 CARACTERÍSTICAS DEL SCR

puerta para disparo No 1) Tal que el voltaje ánodo cátodo VAK de ruptura en directa VBO este entre 15 y 20V ajústelo variando R 2 y V2.

-0.00 mA

R1

RV2 2k

75 74%

V2

+9.39

+20.0

mA

Volts

15V

1. Realice el montaje del circuito de la figura. Ig=9.3mA SCR aun no conduce - simulador Proteus. RV1 75

R3 +88.8

mA

R1

28%

4k

RV2 10k

-0.01

75

mA

50%

U1 +88.8

V2

mA

SCR

R1

+88.8

Volts

1.5V

RV2 2k

V1

75 73%

2.5V

V2

+9.51

+20.0

mA

Volts

15V

Montaje del circuito en el simulador Proteus. Ig=9.5mA SCR conduce- simulador Proteus.

Para realizar este paso, fue necesario reducir el valor de R2 de 10k a 2k para generar una variación de corriente más baja y así poder determinar de forma precisa el valor de corriente de puerta para el disparo del SCR.

Montaje del circuito practica CEAD Bucaramanga.

2. Lleve a R 1 y R 2 al valor medio y V 1 y V2 al valor mínimo.

Se puede evidenciar entonces que para un voltaje de 15V en V2, un valor de 74% de resistencia para un potenciómetro de 2K, es decir 1480Ω, una corriente de puerta de 9.3mA, y un voltaje VAK de 20V; el SCR aún no se encuentra conduciendo. Sin embargo, al reducir dicho valor de resistencia a 73%, es decir 1460Ω, se obtiene una corriente de perta de 9.5mA y a partir de allí se evidencia que ya hay paso de corriente en el punto IAK. Por ende se puede concluir que la corriente de disparo para el SCR debe ser mínimo de 9.5mA.

Resistencias y fuentes tanto del simulador como de la práctica en el CEAD en los valores requeridos. Variación fuente V2 practica CEAD Bucaramanga.


4. Lentamente varié el valor de V1 en aumentos de 2 voltios anote el valor del voltaje ánodo cátodo V AK y de la corriente ánodo cátodo I AK en cada aumento hasta que el SCR conduzca. ¿Cuál es el valor máximo de V AK antes que el SCR conduzca? Voltaje V1 (V)

Voltaje VAK (V)

Corriente IAK (mA)

2.5 4.5 6.5 8.5 10.5 12.5 14.5 16.5 18.5

2.47 4.47 6.47 8.47 10.5 12.5 14.5 16.5 18.5

0 0 0 0 0 0 0 0 0.01

 = 7 ;  = 2.5   = 14.57  Practica CEAD Bucaramanga

RV1 75

R3 -0.00

50%

mA

4k

V1 16.5V +9.51

+16.5

mA

Volts


Ig=9.3mA SCR aun no conduce- simulador Proteus.

RV1 75

R3 -0.01 mA

50%

4k

V1 18.5V +9.51

+18.5

mA

Volts

Ig=9.3mA SCR aun no conduce- simulador Proteus.


3


4

5. Asegúrese que el SCR está en estado de conducción.

Pregunta: ¿Qué crees que va a pasar en el circuito de la figura

6. Inicie reduciendo el voltaje VAK en decrementos de 2

1 si se dispara el SCR, y luego se reduce la corriente de puerta a cero de nuevo?

voltios, revise el estado del SCR al estar apagada la fuente V2.

VGS =VGS1=VTH VDS V IDS (mA)        

 . . . . . . . .

8V (max)

A medida que la corriente de puerta tiende a cero, la corriente IAK re reducirá tendiendo a cero también evidenciado que el SCR deja de conducir.

Pregunta: ¿Qué observas ahora que repentinamente usted aumenta y reduce la corriente de puerta? Como ya se concluyó en el punto anterior al reducir la corriente de puerta el SCR dejara de conducir paulatinamente, sin embargo al aumentar dicha corriente de puerta cerca al punto de disparo se notaran corrientes de fuga dado la cercanía del dispositivo a su punto de conducción.

PRACTICA No.2: CARACTERÍSTICAS DEL MOSFET RV1 75

R3 -0.01 mA

50%

4k

V1 16V +16.0 Volts

VKA=16V IAK=0.01mA - simulador Proteus RV1 75

R3 -0.00 mA

50%

4k

V1 14V +14.0 Volts

VKA=14V IAK=0mA - simulador Proteus

Características de transferencia 1. Realice el montaje del circuito de la figura.

Según lo obtenido en la simulación, al reducir el voltaje VKA se encuentra el punto de disparo en un voltaje superior a 15V, siendo que al inducir un voltaje de 16V se obtiene una corriente de IAK igual 0.01 mA.

RV1 4k +88.8

RV2 R1

R2 50%

mA

75

10k 50%

75

Q1

7. Desconecte temporáneamente el pin puerta (GATE) y poco a poco reducir la tensión de alimentación hasta que la corriente del SCR repentinamente cae a cero. Tenga en

V1

IRF740

30V +88.8 Volts

V2

+88.8

15V

Volts

cuenta el valor de la corriente anterior a cero “este es el valor de la corriente de mantenimiento I H. Montaje del circuito ene l simulador Proteus.


5


  =    () = .  

2. Ajuste VGS=10V variando V1, mantenga R1 ligeramente mayor a ¼ del valor total. RV2 10k

R1 30%

75

V2

+10.00

VGS

10V

Volts

  =    () = .  

Determinado el valor de R2 en el 30% de su capacidad, es decir 3k, y el valor de VGS en 10V.

3. Cambie el valor de VGS variando el valor de V2. (mantenga R2 en el valor mínimo) y observe como cae el valor de IDS cada 0.5V de variación del voltaje VGS.

4. Repita los pasos anteriores para diferentes valores de VDS2 = 15V.

VGS =VGS1=VTH VDS V IDS (mA)        

8V (max)

V1=VDS1 = 10V VGS V

IDS (mA)

.  .  .  .  .  .  .  .  .   

.   .   .   .   .   .   .   .   .   .  

1=VDS2 =

15V

 . . . . . . . .

Características de drenaje: Ajustar el VG variando el valor de V2 a VTH.

VGS V

IDS (mA)

.    .    .   

2.13  2.21  2.33  2.47  2.61  2.75 

5. Variar VDS cambiando el valor de V 1 en variaciones de 0.5V y anote el valor de I DS. (hasta que IDS sea constante)

6. Repetir los pasos anteriores para diferentes val ores de V GS2 = VTH ± 0.1V.


7.

Tabla 3. VGS=VGS2 =VTH± 0.1V VDS V

IDS (mA)

0.5

0.10

1

0.11

1.5

0.12

2

0.13

2.5

0.14

3

0.15

3.5

0.16

4

0.17

4.5

0.18

Tabla 4. VGS=VGS2 =VTH± 0.1V VDS V IDS (mA) 0.5

6

Características de transferencia 1. Realice el montaje del circuito de la figura. RV1 R2

0.35

Amps

1

0.84

1.5

1.31

2

1.8

2.5

2.29

3

2.76

3.5

3.24

4

3.75

4.5

4.24

5

4.73

5.5

5.22

10k

+88.8

50%

75

Q1 RV2

IRG4BC10U

10k

R1 51%

+88.8

75

Volts

5

0.19

5.5

0.20

6

0.21

6

5.7

6.5

0.22

6.5

6.07

7

0.23

7

6.56

7.5

0.24

7.5

7.04

8

0.24

8

7.51

V1 30

V2 10

Montaje del circuito en el simulador Proteus.

Pregunta: ¿Por qué los MOSFET no son implementados en aplicaciones de elevadas potencias? Los transistores MOSFET son dispositivos de gran utilidad y que presentan un bajo consumo, sin embargo el terminal gate es muy sensible, la capa de óxido es muy delgada y se puede perforar y por ende dañar con facilidad el dispositivo; se deben manipular con mucho cuidado, teniendo en cuenta que se pueden destruir con facilidad si hay alta tensión o hay electricidad estática. Por esta última razón, no son implementados en circuitos de lata potencia. Su funcionamiento está limitado por niveles de tensión, correspondientes a redes de baja tensión y menores 400 ;. por lo que son empleados en soluciones de baja y mediana potencia.

PRACTICA No.3: CARACTERÍSTICAS V-I DEL IGBT


2. Inicialmente mantenga V1 y V 2 al valor mínimo. 3. Seleccione el valor de V1=V CE1=10V. 4. Lentamente varié V2 (VGE) y anote VGE e IC en cada 0.5V de cambio tenga en cuenta que el VGE máximo debe ser 8 voltios.

5. Seleccione el valor de V1=V CE1=10V.

V2=VGE V1 IC   . . . . . . . . . .

         





9.19  9.19  9.19  9.19  9.19  9.19  9.19  9.19  9.19  9.19 

0.01  02.5  07.0 12.5 15.3  20.9  14.1  28  32.5  36.6 


7

6. Repita los pasos anteriores con diferentes valores de V GE y dibuje la gráfica de VGE vs IC.

V2=VGE V1 IC   .  .  .  .  .  . 

 .  .  .  .  .   

VGE vs IC

0,4 0,3

  = .     = .    = .  

 .   .   .  .  .   .  

0,3

0,3

0,3

) A ( C 0,1 I

0

0

-0,1 0

5

10

VGE (V) Gráfica de VGE vs IC

  = .     = .    = .  

  = .     = .    = .  

 = .     = .     = .  

  = .     = .    = .  

15


PRACTICA No.4: CONTROL DE FASE DE MEDIA ONDA

4.1. Montar en el simulador el circuito de la Figura 2. (Anexe imagen del circuito al informe).

Cuando se pretende desarrollar un control del ángulo de encendido del SCR partiendo de la misma tensión que alimenta a la carga, es preciso recurrir a circuitos capaces de retardar la señal de disparo durante un intervalo regulable mientras transcurre todo el semiciclo de conducción del dispositivo. La configuración más sencilla para conseguirlo se puede materializar utilizando una red desfasadora serie R-C, a cuyos extremos se aplica una fracción de la tensión que ha de estar presente en la carga. La propia naturaleza de la red R-C introduce un desfase variable entre 0° y 90° respecto de la tensión aplicada, pudiéndose conseguir con una adecuada relación de valores resistencia-capacidad un control pleno de la corriente por la carga entre los 0° y prácticamente los 180°.

8

8 . 8 8 +

tsl o V C A

R1 330

RV1

R2 820 % 0 0 1

+88.8 AC Volts

U1 D1

SCR

1N4007

R3

5k

820

C1 0.1uF

Montaje del circuito en el simulador Proteus.

4.2. Realizar la simulación anexe la gráfica que muestre al menos 4 ciclos de la tensión entrada V1 y la de la tensión en la carga RL ¿Que ha notado?

En el circuito de la figura 2 la red desfasadora está formada por R1 + P1 y C, que tiene aplicada la tensión presente entre ánodo y cátodo del SCR. La señal de control, variable en fase y amplitud por la acción de P1 se extrae en extremos de C y se aplica entre puerta y cátodo a través de la resistencia limitadora R2 y el diodo D1 que previene la descarga de C durante los semiciclos negativos. En el análisis del funcionamiento del control debe tenerse presente que cuando el valor de la reactancia que presenta C es mucho mayor que el de la resistencia serie a sociada con éste R1 + P1 (P1 al mínimo), el circuito se comporta como capacitivo, la tensión que se extrae del condensador es máxima y se puede considerar en fase con la tensión aplicada; la conducción del SCR se produce casi al inicio de cada semiperiodo positivo.

Podemos evidenciar en la gráfica obtenida al simular el circuito propuesto, que al no obtener un voltaje suficiente, y por ende no alcanzar la corriente de disparo, para que el SCR pueda conducir, la señal es la misma que la que se aplica a la entrada del circuito. Esto con un valor de P1 máximo es decir 5K, es decir un periodo de 0.1667ms

Podemos evidenciar en la gráfica anterior obtenida al simular el circuito propuesto con un valor de P1 mínimo, para la cual se obtiene la corriente y voltaje de conducción para el SCR.


4.3. Observar la tensión de salida para diferentes valores del potenciómetro P1. ¿Qué sucede cuando la resistencia disminuye?

Para un 70% de P1(3.5k) se observa que aún no se alcanza ni la corriente de disparo no el voltaje requerido para que el SCR se encuentra en modo de conducción.

9

4.4. ¿Para qué valor de P1 la potencia entregada a la carga es la mitad de la potencia máxima?

Siendo que la máxima transferencia de potencia para el circuito se da cuando P1 está en su valor mínimo, tenemos que:

 = 23.9  = 48

Siendo: Por lo tanto:

() = .   = 23.9 ∗ 0.0048 ≅ 0.115 ≡ 115 Por lo tanto, para obtener la mitad de la potencia ( 57.5 )

0.0575 = 23.9 ∗  Para un 64% de P1(3.2k) se observa que ya se sobrepasó la corriente mínima de disparo la cual corresponde a 32.2mA; por ende el SCR se encuentra en modo de conducción y en la gráfica se puede observar tanto el periodo como el ángulo de disparo.

=

0.0575 23.9

= 2.410−  ≡ 24

Siendo que la corriente mínima de conducción para el SCR es de 32.5mA; se puede concluir, soportado en la gráfica, que la mitad de la potencia se entrega a RL cuando P1 vale el 64% de valor real, es decir 3.2k.

4.5 Calcule los ángulos de disparo y conducción para al menos

Para un 40% de P1(2k) se observa que ya se sobrepasó la corriente de disparo y por ende el SCR se encuentra en modo de conducción.

Para un 1% de P1(50Ω) se observa la corriente máxima y el ángulo de disparo mínimo para el SCR.

6 valores distintos de P1 Registrar los valores en una tabla. Utilizar como referencia la Figura 3 y emplear las siguientes ecuaciones.

Figura No.6

Ángulo de conducción ⱷt2 = 180º - ángulo de disparo ⱷt1


Para determinar el ángulo de disparo en cada valor seleccionado para P1 se tendrán en cuenta los siguientes datos:

 = 60 1 1 = = ≅ 0.01667 ≡ 16.67  60 Por lo tanto, para cuando el potenciómetro trabaja el 100% de su capacidad, el SCR no conduce y la señal tiene la misma frecuencia de la onda de entrada; en consecuencia: Para 1 = 100% 16.67 360° Luego entonces, determinando mediante el osciloscopio de Proteus el tiempo de disparo para cada uno de los valores seleccionados tenemos que:

Valor  % /  60% / 4.31 50% / 3.73 40% / 3.33 30% / 3.08 20% / 2.65 10% / 2.39

Angulo de Disparo ⱷ1 16.67 → 360° 4.31 → 93° 3.73 → 81° 3.33 → 72° 3.08 → 67° 2.65 → 57° 2.39 → 52°

Angulo de conducción ⱷ2 = 180º ⱷ1

180°  93° = 87° 180°  81° = 99° 180°  72° = 108° 180°  67° = 113° 180°  57° = 123° 180°  52° = 128°

IV.

10

CONCLUSIONES

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado. Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

V.

BIBLIOGRAFIA

Introducción a los sistemas electrónicos de potencia. Mohan, N. Undeland, T. Robbins, W. (2009). Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño (pp. 3-14). Recuperado de

http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reade r.action?ppg=22&docID=10565530&tm=1482450097688 Angulo de disparo 60% y 40% de P1

Dispositivitos de potencia. Mohan, N. Undeland, T. Robbins, W. (2009). Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño (pp. 445-582). Recuperado de

http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reade r.action?ppg=464&docID=10565530&tm=1482450513143 Circuitos de disparo. Mohan, N. Undeland, T. Robbins, W. (2009). Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño. (pp. 608-637). Recuperado de

Angulo de disparo 20% y 10% de P1

http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reade r.action?ppg=627&docID=10565530&tm=1482451710573

Informe Componente Practico Electronica de Potencia

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