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.[editar]

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) Tensión e intensidad en la carga.

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

Donde:

Quedándonos una expresión final igual:

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

Dejándonos una expresión para la intensidad:

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

Ahora podemos calcular el valor medio de la tensión:

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

b) Calculamos los primeros términos de la serie de Fourier

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

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

Problema 2 - Puente de diodos[editar]

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:

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

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:

Problema 3 - Puente trifásico de diodos[editar]

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

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

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

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

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

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

Capturghn56bdfga3.png

Su valor eficaz es por tanto:

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

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

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.

Como

Y su valor eficaz será:

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

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:

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

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.

Finalmente tenemos que la DAT obtenida es:

Apartado extra: elección del diodo[editar]

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:

  • VRRM → Repetitive Peak Reverse Voltage: La tensión máxima, será el dato más cítico para la selección de un dioda vaque pequeñas sobretensiones pueden romper el dispositivo.
  • Corriente directa IF → Forward Current
  • Corriente directa de pico repetitivo IFRM → Repetitive Peak Forward Current

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:

Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage
Maximum Average Rectified Current
Maximum Power Dissipation Tamb = 25°C
Maximum Forward Voltage
Maximum Reverse Current
Maximum Reverse Recorvery Time
Typical Junction Capacitance
Operating and Storage Temperature Range

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:

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

Selección de diodos:
Problema 1
  • tensión media = 37 V
  • tensión eficaz = 54,75 V
  • IO,AVG = 3,7 A

Con estas características podemos escoger cualquier diodo menos el 1N4154

SYMBOL 1N914 1N4148 1N4150 1N4151 1N4154 1N4448 1N4454 UNITS
Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage VRRM 100 100 50 75 35 100 75 V
Maximum Average Rectified Current IO 75 150 200 150 150 150 150 mA
Maximum Power Dissipation Tamb = 25°C Ptot 250 500 500 500 500 500 500 mW
Maximum Forward Voltage VF 1.0/10 1.0/10 1.0/200 1.0/50 1.0/30 1.0/100 1.0/10 V/mA
Maximum Reverse Current IR 5000/75 5000/75 100/50 50/50 100/25 5000/75 100/10 nA/V
Maximum Reverse Recorvery Time trr 4.0 4.0 4.0 2.0 2.0 4.0 4.0 nS
Typical Junction Capacitance CJ 4.0 pF
Operating and Storage Temperature Range TJ, TSTG -65 to +200 °C

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:

Maximum ratings
Type Repetitive peak reverse voltage
VRRM [V]
Surge peak reverse voltage
VRSM [V]
1N 1183 PBY 301 50 60
1N 1184 PBY 302 100 120
1N 1186 PBY 303 200 240
1N 1188 PBY 304 400 480
1N 1190 PBY 305 600 720
1N 3766 PBY 306 800 1000
1N 3768 PBY 307 1000 1200
Repetitive peak forward current:
f>15 Hz
IFRM 80 A

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

Problema 2
  • tensión media = 7,63 V
  • tensión eficaz = 10,79 V
  • IO,AVG = 0,764 A

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.

SYMBOL 1N914 1N4148 1N4150 1N4151 1N4154 1N4448 1N4454 UNITS
Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage VRRM 100 100 50 75 35 100 75 V
Maximum Average Rectified Current IO 75 150 200 150 150 150 150 mA
Maximum Power Dissipation Tamb = 25°C Ptot 250 500 500 500 500 500 500 mW
Maximum Forward Voltage VF 1.0/10 1.0/10 1.0/200 1.0/50 1.0/30 1.0/100 1.0/10 V/mA
Maximum Reverse Current IR 5000/75 5000/75 100/50 50/50 100/25 5000/75 100/10 nA/V
Maximum Reverse Recorvery Time trr 4.0 4.0 4.0 2.0 2.0 4.0 4.0 nS
Typical Junction Capacitance CJ 4.0 pF
Operating and Storage Temperature Range TJ, TSTG -65 to +200 °C

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

Maximum ratings
Type Repetitive peak reverse voltage
VRRM [V]
Surge peak reverse voltage
VRSM [V]
1N 1183 PBY 301 50 60
1N 1184 PBY 302 100 120
1N 1186 PBY 303 200 240
1N 1188 PBY 304 400 480
1N 1190 PBY 305 600 720
1N 3766 PBY 306 800 1000
1N 3768 PBY 307 1000 1200
Repetitive peak forward current:
f>15 Hz
IFRM 80 A

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.

Problema 3 Caso a)
  • tensión media = 400 V
  • tensión eficaz = 540 V
  • IO,AVG = 2 A

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:

Maximum ratings
Type Repetitive peak reverse voltage
VRRM [V]
Surge peak reverse voltage
VRSM [V]
1N 1183 PBY 301 50 60
1N 1184 PBY 302 100 120
1N 1186 PBY 303 200 240
1N 1188 PBY 304 400 480
1N 1190 PBY 305 600 720
1N 3766 PBY 306 800 1000
1N 3768 PBY 307 1000 1200
Repetitive peak forward current:
f>15 Hz
IFRM 80 A

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.

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.

Maximum ratings
Type Repetitive peak reverse voltage
VRRM [V]
Surge peak reverse voltage
VRSM [V]
1N 1183 PBY 301 50 60
1N 1184 PBY 302 100 120
1N 1186 PBY 303 200 240
1N 1188 PBY 304 400 480
1N 1190 PBY 305 600 720
1N 3766 PBY 306 800 1000
1N 3768 PBY 307 1000 1200