Electrónica de Potencia/Diodo de potencia/Problemas de diseño

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Problemas de selección de diodos:[editar]



Problema 1 - Problema conversión CA-CC.

Teniendo el siguiente circuito rectificador no controlado monofásico de media onda alimentando una carga RL (R=10Ω, L=40mH). La tensión que alimenta al circuito es una onda cuadrada de ±100V y 50Hz. Hallar:

a) Tensión e intensidad en la carga.
b) Valor eficaz de la componente fundamental de la tensión de salida.
c) Valor eficaz de la componente fundamental de la corriente.

Ejdfghbdfhbg1.PNG


Capfghj5673tura1.png



a)

Estudiando el primer semiperiodo 0-1ms tenemos que la intensidad sigue la siguiente forma:

Sdfhdfhdfghdfgbdfbfjhdfghdfghfgbd.PNG


Donde:

Sdfgsdgsdfgsdgsdfgsdfg.PNG


Quedándonos una expresión final igual:

Tgdkfgkrf.PNG


A partir de este instante la tensión de alimentación se invierte, teniendo los siguientes valores en el segundo semiperiodo:

Fgxjdrtjytf.PNG


Dejándonos una expresión para la intensidad:

Sjuft.PNG


Cuando el diodo alcanza el valor cero, éste deja de conducir, ese instante es el instante t0

Uhykjgjg.PNG


Ahora podemos calcular el valor medio de la tensión:

Njgdfgfbd.PNG


Como la tensión media en la bobina es cero, en régimen permanente, la corriente medida por la carga es:

Tyujhghg.PNG


b) Calculamos los primeros términos de la serie de Fourier

Ythdfbnf.PNG


El valor c1 es la amplitud del primer armónico y su valor eficaz es:

Vbnfdghbdfg.PNG


c) Como la corriente de entrada es igual a la de salida tenemos:

Fghnfdhgjfg.PNG







Problema 2 - Puente de diodos

Calcular la tensión media a la salida Vo, y la corriente media en cada diodo. Los diodos no serán considerados ideales:

Ejytfhj76jj2.PNG


Captoipñ69olura2.png



Al no tener diodos ideales se producen dos efectos en el funcionamiento de circuito, uno de ellos es la caída de tensión provocada por los diodos, y el otro es la reducción del ángulo de conducción de los diodos. La corriente siempre circulará por dos diodos a la vez, con lo cual existirá una caída de tensión dos veces a la tensión ánodo-cátodo 2VAK En el segundo efecto mencionado lo que provoca es que los diodos no empezarán a conducir hasta que la tensión aplicada no supere a la tensión ánodo-cátodo. Es decir, hasta que no se supere dos veces ésta tensión:

Ej 2.1 - cofgjhfghpia.PNG


Calcularemos el valor α de la siguiente manera:

Dfgrthrgfhbfd.PNG


Por la simetría de la señal, la tensión de salida podría calcularse como:

Refgrtgdfbgdfhg.PNG


Durante los periodos de conducción positivos se encuentran en ON los diodos D1 y D2, mientras que en los periodos de tensión negativa se encuentran ON los diodos D3 y D4. Por lo tanto, la corriente media en cada diodo es:

Sdfgsedvsdfvsdgewrg.PNG









Problema 3 - Puente trifásico de diodos

Tenemos el siguiente rectificador no controlado trifásico con carga resistiva-inductiva alimentado desde una red trifásica de 230/400 V y 50Hz. La constante de tiempo asociada a la carga es mucho mayor que el periodo de tensión de alimentación.

Ehjlkjhljhl yuliyukl.PNG




Calcular:
a) El valor de R que hará que la corriente de alimentación en la carga sea de 2 A.
b) El factor de rizado de la tensión de salida y la distorsión armónica total de corriente que aporta cada fuente.
Si el diodo D6 falla, quedando un circuito abierto:
c) El valor medio y factor de rizado de la tensión de salida.
d) DAT de la corriente de alimentación de la fase A.

a) La tensión media de salida es:

Sfdgsdfv.PNG


La corriente de salida media solo depende de la carga resistiva, con lo cual tenemos que el valor de la resistencia es:

Zdfgdfvfds.PNG


b) La distorsión de salida en caso de una magnitud continua es:

Zasdjy.PNG


Sacamos el valor eficaz de la tensión para posteriormente sustituirlo en la expresión de la tasa de distorsión total.

Ndfnfg.PNG


La tasa de distorsión de la corriente de alimentación viene dada por la siguiente expresión:

Zxcbbfdgb.PNG


La forma de onda de la corriente de salida es la siguiente:

Capturghn56bdfga3.png


Su valor eficaz es por tanto:

Dsfehethfdg.PNG


Al tener IA simetría de media onda (an=0) el valor eficaz del primer armónico de dicha es:

Fjhmnfdg.PNG


Sustituyendo al final los resultados, obtenemos una distorsión armónica total:

Rynbsfgb.PNG


c)Si falla D6 tendremos un circuito que se comportará como un circuito maximizador configurado por los diodos superiores y minimizador configurado por los diodod D2 y D4. Las formas de onda de los terminales positivos y negativos del rectificador son:

Cr6j67jhtgj.png


La tensión media de salida por tanto viene dada por la siguiente expresión.

Adgfdfb.PNG


Como VAB,RMS=VBA,RMS=VCA,RMS=VCB,RMS

Fgfbhnfgb.PNG


Y su valor eficaz será:

Yrtjygf.PNG


Una vez calculada la tensión ya podemos disponer del factor de rizado de la tensión de salida, el cual es:

Serhdfgbdf.PNG


d)La corriente que alimenta la fase cuando D6 no funciona sigue la siguiente función:

Capturghn56bdfga3.png


En este caso la corriente de salida que circula por la carga varía los 2 A originales a:

Dfgbdfgb.PNG


Para comprobar la nueva tasa de distorsión de la corriente de alimentación debemos hallar los valores eficaz y le primer armónico de la corriente:

Bxcvbsdbsd.PNG


En el caso de los armónicos lo hallamos mediante los dos términos, pues la onda de corriente no sigue una simetría que nos facilite su análisis.

Dfgnbdfgbdfbg.PNG


Finalmente tenemos que la DAT obtenida es:

Lgfjhnnbfg.png








Apartado extra: elección del diodo

A la hora de seleccionar un diodo para un circuito que diseñemos, debemos tener en cuenta que las características del propio circuito condicionaran que el diodo que elijamos funcione correctamente o se estropee. Para ello debemos analizar ciertos apartados clave del circuito que compararemos con las características de fábrica de un diodo. De esta manera podremos elegir el diodo que mejor nos convenga sin necesidad de quemarlo y evitando posibles comportamientos anómalos.
Los datos en los que nos fijaremos para seleccionar un diodo son algunos de los siguientes:

Sdhgsdfg.PNG


Para comprobar los datos de fábrica de un diodo, debemos acudir al “datasheet” del dispositivo, proporcionado por el fabricante. Un ejemplo de datasheet es el siguiente:

Asca2.png


Aunque podemos encontrar otro tipo de datos y características como las curvas características del diodo en cuestión o incluso su forma y dimensiones. En nuestro caso, planteamos 3 problemas teóricos sobre los cuales no tenemos información del diodo que se ha utilizado para su desarrollo. Comprobaremos que diodo podría ir en cada caso, dependiendo de las características del circuito. Los diodos con los que vamos a trabajar son:

Ugikvjhmk.PNG


Dentro de estos diodos tenemos diodos que aguantan hasta 1000V de tensión máxima como el 1N3768.

Yukjg.PNG


Con estas características podemos escoger cualquier diodo menos el 1N4154

Asca1.png


Como podemos ver el diodo 1N4154 y el diodo 1N4151 soportan solo hasta 35 V y 50V de tensión máxima respectivamente. Mientras que el resto de los diodos soporta perfectamente esa tensión. Pero en cuanto a intensidad, estos diodos soportan unas corrientes muy pequeñas, así que elegir uno de ellos nos supondría un problema. En el caso del siguiente grupo de diodos:

Asca3.png


Como podemos ver, cualquiera de ellos cumple de sobra los valores expuestos por el circuito tanto de tensión como de intensidad. En este caso elegiríamos un diodo de este grupo para el circuito. Por ejemplo el 1N1183 ya que al ser el que tiene las especificaciones más bajas será más barato, y además nos deja margen para posibles comportamientos anómalos del circuito

Fghbhnh.PNG


En este caso al igual que el problema anterior de la primera familia de diodos, vemos que cualquiera de los diodos nos soporta la tensión dada por el circuito pero, tenemos el problema de la corriente sobre el diodo pues ninguno de ellos cumple el poder soportar una corriente media de hasta 764 mA.

Asca4.png


El diodo a escoger debe pertenecer al segundo grupo de diodos.

Asca3.png


Donde cualquiera de ellos cumple con las expectativas del circuito muy de sobra, tanto que deberíamos plantearnos buscar un diodo en otra categoría que se ajuste a las características del circuito. En todo caso de escoger elegiríamos el 1N1183 por la misma razón de antes, da margen para trabajar con él y será el más económico de los que elijamos.

1gyu111gyu1gyu11.PNG


En este caso de salida vemos las tensiones que son de valores elevados con lo cual ninguno de los diodos que tenemos en el primer grupo nos sirve para este circuito. Pasamos a analizar los diodos del segundo grupo y vemos lo siguiente:

Asca3.png


Solo los diodos 1N1190, 1N3766 y 1N3768 servirían para este circuito, pues soportan de sobra las tensiones propuestas en el funcionamiento. Como observación, el diodo 1N1188 soportaría la tensión media al límite, provocando seguramente algún fallo, pero si aun así, soportara en vez de 400, 420 V habría que fijarse en la tensión eficaz pues se deben cumplir todos los requisitos para su correcto funcionamiento. En cuanto a la intensdiad no tenemos problemas con ninguno de los diodos, así que el diodo que elegiríamos es el diodo 1N1190 ya que de los que tenemos para elegir nos da margen para cualquier anomalía en el comportamiento y será más barato que los otros dos.

2vhj22mhvgj2vgj22.PNG


En este caso vemos que el circuito cambia debido a que el diodo D6 deja de funcionar, variando así los valores de la tensión. Pero aun así tenemos el mismo caso de antes donde el diodo que elegiríamos es el 1N1190, por los motivos previamente mencionados.

Ascaaaaa.png