Pr__ctica_2

1PRCTICA N2DIODOS DE POTENCIA CON CARGA RL, RC

Y RLCJaime Fernando Usia Llivisaca

[email protected] Rodrigo Macas Sandoval

[email protected] Snchez

[email protected]

AbstractOne of the most important devices in power elec-tronics is the diode due to its characteristic unidirectional.The purpose of this practice is to know the functioning ofpower diodes, and check the behavior of current and voltagein the transitional regime with resistive load, inductive load andcapacitive load.

Index Termsdiodo de potencia, carga, resistiva, inductiva,capacitiva.

I. INTRODUCCINLos diodos de potencia son uno de los dispositivos que

tienen un papel muy importante en la electrnica; stos tienenla caracterstica de ser unidireccionales, es decir la corrientecircula solo en el sentido positivo de la conduccin. Tienen lacaracterstica de soportar una alta corriente con una pequeacada de tensin cuando estn en estado de conduccin. Tienenla capacidad de soportar una fuerte tensin negativa con unamnima corriente de fuga cuando estn en estado inverso. Enla Figura 1 se puede observar la curva caracterstica del diodo:

Figura 1. Curva caracterstica del diodo.

II. CARACTERSTICAS ESTTICASII-A. Parmetros en bloqueo

Tensin inversa de trabajo (VRWM ).- Mxima tensininversa que puede soportar el diodo de forma continua

sin que haya el efecto avalancha.Tensin inversa de pico repetitivo (VRRM ).- Mximatensin inversa que puede soportar el diodo por tiempoindefinido si la duracin del pico es inferior a 10ms.Tensin inversa de pico nico (VRSM ).- Mxima tensininversa que puede soportar el diodo por una sola vez cada10 o ms minutos si la duracin del pico es inferior a10ms.Tensin de ruptura (VBD).- Valor de tensin inversa queprovoca el efecto avalancha aunque se aplique una vezpor un tiempo superior a 10ms.

II-B. Parmetros en conduccin

Corriente media nominal (IFW (AV )).- Valor medio dela mxima corriente de impulsos sinusoidales que puedesoportar el diodo de forma continua.Corriente de pico repetitivo (IFRM ).- Mxima corrienteque puede soportar el diodo cada 20ms, con una duracinde pico de 1ms, a una determinada temperatura decpsula.Corriente directa de pico no repetitivo (IFSM ).- Mximopico de corriente que puede soportar el diodo, una vezcada 10 minutos, con una duracin de 10ms.

III. CARACTERSTICAS DINMICASIII-A. Parmetros de encendido

Tensin directa (V ON ).- Cada de tensin en el diodo enrgimen permanente para la corriente nominal.Tensin de recuperacin directa (V F ).- Mxima tensinen el diodo durante el encendido.Tiempo de recuperacin directa (tON ).- Tiempo para queel diodo alcance el 110 % de V ON .Tiempo de subida (tr).- Tiempo para que la corrientede el diodo pase del 10 % al 90 % de su valor directonominal.

III-B. Parmetros de apagado

Tiempo de almacenamiento (ta).- Tiempo transcurridodesde el paso por cero de la corriente hasta llegar al piconegativo.

AdministradorTypewritten TextFalta el obejtivo general y los obejtivos especficos

AdministradorSticky Noteok



AdministradorTypewritten Text55%

2Tiempo de cada (tb).- Tiempo transcurrido desde el piconegativo de la corriente hasta que se anula.Tiempo de recuperacin inversa (trr).- Tiempo que du-rante el apagado, tarda la corriente en alcanzar su valormximo negativo y retornar hasta un 25 % de este valor,es la suma de ta mas tb.Carga elctrica desplazada (Qrr).- rea negativa de lacaracterstica de recuperacin inversa.Intensidad desplazada (Irr).- Pico negativo de la corrien-te, tambin se representa como Irrm.

III-C. Influencia del trr en la conmutacin

Debido a que el tiempo que tarda el diodo en conmutar no esdespreciable, la frecuencia de funcionamiento se limita y existeuna disipacin de potencia durante el tiempo de recuperacininversa. Los principales factores de los que depende el tiempode recuperacin inversa son:

IF .- Cuanto mayor sea, mayor ser el tiempo de recu-peracin inversa, debido a que la carga almacenada sermayor.V R.- Cuanto mayor sea, menor ser el tiempo de recupe-racin inversa, debido a que si la tensin inversa es mayorse necesita menos tiempo para evacuar los portadoresalmacenados.diD/dt.- Cuanto mayor sea, menor ser el tiempo derecuperacin inversa, el aumento de esta pendiente au-mentar el valor de la carga almacenada, lo que producirmayores prdidas.

IV. FUNCIONAMIENTO

IV-A. Carga RL

En la Figura 2 se puede observar el esquema del circuito:

Figura 2. Circuito del diodo con carga RL

Cuando el interruptor S1 se cierra en t = 0, la corriente ia travs del inductor aumenta y se expresa como:

VS = VL + VR = Ldi

dt+ VR (1)

Con la condicin inicial i(t = 0) = 0, la solucin de laecuacin (1) se obtiene:

i(t) =V s

L etR/L (2)

La velocidad inicial de elevacin de la corriente, en t = 0se obtiene:

di

dt/(t=0) =

V s

L(3)

El voltaje VL a travs del inductor es:

VL(t) = Ldi

dt= V s etR/L (4)

cuando L/R = es la constante de tiempo de una cargaRL.

Si t >> RL, el voltaje a travs del inductor tiende a ceroy su corriente alcanza un valor de rgimen permanente deIS = VS/R. Si en ese momento se intenta abrir el interruptorS1, la energa almacenada en el inductor (E = 0.5 L i2) setransformar en un alto voltaje inverso a travs del interruptory del diodo. Esta energa se disipar en forma de chispas atravs del interruptor y es probable que el diodo se dae eneste proceso. Para resolver esta situacin se conecta un diodocomnmente conocido como diodo de marcha libre a travsde la carga inductiva.

IV-B. Carga RC

En la Figura 3 se puede observar el esquema del circuito:

Figura 3. Circuito del diodo con carga RC

Cuando se cierra el interruptor S1 en t = 0, la corriente decarga i, que fluye a travs del capacitor se puede determinara partir de:

VS = VR + VC = VR +1

C

(i dt) + VC/(t=0) (5)

VR = R i (6)Con la condicin inicial de VC(t = 0) = 0, la solucin de

la ecuacin (5) se obtiene:

i(t) =VSR et/RC (7)

El voltaje del capacitor VC es:

VC(t) =1

C

idt = V s(1et/RC) = V s(1et/T ) (8)

donde R C = es la constante de tiempo de una cargaRC.

La velocidad de cambio en el voltaje del capacitor es:

dvCdt

=V s

RC et/RC (9)

AdministradorSticky Notefalta referenciar

AdministradorSticky Noteok.. pero falta referenciar


AdministradorSticky Notefalta referenciar su argumento


3y la velocidad de cambio inicial del voltaje del capacitorcuando t = 0, se obtiene a partir de la ecuacin (9):

dvCdt

/(t = 0) =V s

RC(10)

IV-C. Carga RLCEn la Figura 4 se puede observar el esquema del circuito:

Figura 4. Circuito del diodo con carga RLC

Si el interruptor S1 se cierra en t = 0 podemos utilizar laley de las tensiones de Kirchoff para describir la ecuacin dela corriente de carga i como:

VS = Ldi

dt+R i+ 1

C

i dt+ V c/(t=0) (11)

con condiciones iniciales i(t = 0) = 0 y VC(t = 0) = V0.Al diferenciar la ecuacin (11) y diferenciar ambos miembrosentre L, obtenemos

d2i

d2t+R

L

di

dt+

i

LC= 0 (12)

Bajo condiciones de rgimen permanente, el capacitor estcargado al voltaje de fuente VS , siendo corriente de rgimenpermanente cero. Tambin en la ecuacin (12) es cero la com-ponente forzada de la ecuacin de la corriente. La corrientese debe a la componente natural.

El factor de amortiguamiento es:

=R

2L(13)

La frecuencia de resonancia es:

w0 =1LC

(14)

La solucin en funcin de la corriente tiene tres casosposibles:

Circuito crticamente amortiguado: Se da para = w0Circuito sobreamortiguado: Se da para > w0.Circuito subamortiguado: Se da para < w0.

V. EQUIPOS UTILIZADOS

Sonda de diferencial voltajeSonda de corrienteOsciloscopioComputadora personalCablesBanco de resistencias, inductancias y capacitanciasBanco de diodosFuente de corriente alterna

VI. DESARROLLO

VI-A. Diodo con carga RL

V s = VL + VR = Ldidt +R1

T = 0,8H600T = 1, 3e3

i(t) = V sR(1 etR/L) = 120600 (1 e 600t0,8H )

0, 2(

1 e 600t0,8H)

didt =

V sL =

1200,8 = 150

VL(t) = Ldidt = VSe

tR/L = 120e600t/0,8H

powergui

Continuous

XY Graph

Vcarga

v+-

Scope

Icarga

i+-

Diode

ma

k

DC Voltage

Carga RL

IAk

VAk

Figura 5. Esquema del circuito.

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01119.1997

119.1998

119.1999

119.1999

119.1999

119.2Vcarga

0

0.05

0.1

0.15

0.2Icarga

0.8

0.8001

0.8001

0.8002

0.8002VAk

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25IAk

Time offset: 0

Figura 6. Simulaciones del circuito


AdministradorOval

AdministradorSticky Noteen donde est la grfica de la ecuacin para comparar con la seal simulada..???


AdministradorOval

AdministradorSticky Noteen donde est la grfica de la ecuacin para comparar con la simulada..???

AdministradorSticky Noteno tiene sacado el di/dt

4Figura 7. Medicin corriente y voltaje en la carga

Figura 8. Curva caracterstica del diodo

VI-B. Diodo con carga RC

V s = VR + Vc = VR +1c

idt+ Vc (t=0)

VR = Rii(t) = V sR e

t/Rc

T = Rc = 600(8, 8) = 5280Voltaje del capacitorV c(t) = 1c

idt = V s(1 et/Rc)

V c(t) = V s(1 et/T ) = 120(1 et/5280)dV cdt =

V sRc et/Rc dV c

dtt=0 =V sRc =

1205280 = 0, 022V

powergui

Continuous

XY Graph

Vcarga

v+-

Scope

Icarga

i+-

Diode

ma

k

DC Voltage

Carga RC

IAk

VAkVAk

Icarga

Vcarga


0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01118.9994

118.9995

118.9996

118.9997

118.9998

118.9999

119Vcarga

0

0.05

0.1

0.15

0.2Icarga

1

1.0001

1.0002

1.0003

1.0004

1.0005VAk

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5IAk

Time offset: 0


AdministradorOval

AdministradorSticky Notepero que representan las seales..??

AdministradorOval

AdministradorOval

AdministradorSticky Notemal hecho los clculos

AdministradorOval

AdministradorSticky Notemal calculado

AdministradorSticky Noteno hay las grficas de las ecuaciones para comprobar con los resultados de las simulacin

5Figura 11. Medicin corriente y voltaje en la carga


VI-C. Diodo con carga RLC

= R2L =600

20,8 = 375, 88rad/seg0 =

1LC

= 10,8(8,8uf)

= 376, 88rad/seg.

> 0 Sobreamortiguador =

20 2 =

376, 882 3752 = 37, 59rad/seg.

i(t) = et(A1Cosrt+A2Senrt)i(t) t = 0 0 = A1

i(t) = et(A2Senrt)didt = et(A2Senrt+A2Cosrt)didt t = 0 rA2VL = L

didt

didt =

VLL =

V sV c(0)L

didt t = 0 rA2 = V sV c(0)LA2 = V srL =

12037,590,8 = 3, 99A

i(t) = A2 Sen (rt) eAi(t) = 3, 99 Sen (37, 59t) e375tA

didtt=0 =

V sV c(0)L

didtt=0 =

1200,8 = 125A/Seg. = 0, 00125A/useg.

Sen(37, 59t)37, 59t = t = 0, 083mseg.didt = 0SenrtCosrt

= rtetA2

etA2t =

arctan(r )r

=arctan( 37,59375 )

37,59 = 0, 15mseg.i(t)0, 15mseg. = 0, 075V c = 1c

i(t)dt+ V c(0)

dvdtmax =

1c i(t) =

0,075600(106)

dvdtmax = 0, 125V/useg.

powergui

Continuous

XY Graph

Vcarga

v+-

Scope

Icarga

i+-

Diode

ma

k

DC Voltage

Carga RLC

IAk

VAkVAk

Icarga

Vcarga


AdministradorOval

AdministradorOval

AdministradorOval

AdministradorSticky Noteno hay grficas de las ecuaciones y tampoco las simulaciones del circuito RLC en los casos de subamortiguado, sobreamortiguado y criticamente amortiguado

60 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01118.9997

118.9998

118.9999

118.9999

118.9999

119Vcarga

0

0.05

0.1

0.15

0.2Icarga

1

1

1.0001

1.0001

1.0002

1.0002VAk

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25IAk

Time offset: 0


Figura 15. Medicin corriente y voltaje en la carga


VII. CONCLUSIONES

El diodo es un semiconductor muy utilizado dentro de laindustria debido a sus caractersticas unidireccionales, conla culminacin de la presente prctica se puedo observarlas caractersticas de este, y tambin se observo el rgimentransitorio dependiendo de la carga que se le coloque en estecaso colocamos carga RL, RC, RLC, en cada una se tiene un

7comportamiento diferente. La corriente en los circuitos quetienen condensador la corriente tiene un valor de cero porqueel condensador se carga y llega a este estado y permanece enel mismo.

REFERENCIAS[1] Muhammad H.Rashid,Electronica de Potencia, Tercera

Edicion

B IOGRAFAS

JAIME FERNANDO USIA LLIVISACANaci en Cuenca - Ecuador, en 1991. Recibi el Ttulo de Bachiller

Tcnico Industrial en la especializacin de Mecatrnica en el ColegioTcnico Salesiano en el 2009. Actualmente realiza sus estudios de IngenieraElectrnica en la Universidad Politcnica Salesiana.

JONATHAN RODRIGO MACAS SANDOVALNaci en Machala - El Oro - Ecuador, el 4de enero de 1989, recibi el

Ttulo de Bachiller en el Instituto Tecnolgico ElOro, de la ciudad de Machala, actualmente Estudiante de Ingeniera Elctrica en la Universidad PolitcnicaSalesiana de la ciudad de Cuenca.

AdministradorTypewritten Textinforme incompleto, falta simulaciones, clculos y simulaciones

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