Capítulo 2. Breve descripción de los convertidores electrónicos de ...
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Capítulo 2. Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia. Un convertidor electrónico de potencia es un circuito que transforma la energía eléctrica entrante a otra forma distinta de energía eléctrica a su salida, por ejemplo una señal alterna convertirla a una señal directa o viceversa, una señal alterna convertirla a otra señal alterna con diferentes parámetros o una señal directa convertirla a otra señal directa también con diferentes parámetros. Debido a las anteriores características estos convertidores se clasifican de la siguiente manera: CA/CD: Convierten un voltaje de entrada alterno en uno directo y a su vez se subclasifican según la topología utilizada. Los convertidores CA/CD involucrados en este trabajo de tesis son: a) Rectificador de media onda. b) Rectificador de onda completa. Sus principales aplicaciones son fuentes de alimentación de la mayoría de aparatos electrónicos que funcionan únicamente con corriente continua como lo es una computadora, reproductores de CDs, radios, televisión, etc. 14
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Capítulo 2. Breve descripción de los convertidores electrónicos de
potencia.
Un convertidor electrónico de potencia es un circuito que transforma la energía eléctrica
entrante a otra forma distinta de energía eléctrica a su salida, por ejemplo una señal alterna
convertirla a una señal directa o viceversa, una señal alterna convertirla a otra señal alterna
con diferentes parámetros o una señal directa convertirla a otra señal directa también con
diferentes parámetros.
Debido a las anteriores características estos convertidores se clasifican de la siguiente
manera:
CA/CD: Convierten un voltaje de entrada alterno en uno directo y a su vez se subclasifican
según la topología utilizada. Los convertidores CA/CD involucrados en este trabajo de tesis
son:
a) Rectificador de media onda.
b) Rectificador de onda completa.
Sus principales aplicaciones son fuentes de alimentación de la mayoría de aparatos
electrónicos que funcionan únicamente con corriente continua como lo es una computadora,
reproductores de CDs, radios, televisión, etc.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
CA/CA: Convierten el voltaje alterno de entrada a un voltaje alterno con diferentes
parámetros como pueden ser valor eficaz y frecuencia donde sus principales usos son el
control de iluminación de lámparas y regular la velocidad de motores de CA
principalmente. Los convertidores CA/CA que fueron programados son:
a) Convertidor controlado por de ángulo de fase.
b) Cicloconvertidor.
CD/CD: Convierten la energía eléctrica de una batería o una celda solar a otros niveles de
voltaje directo listo para ser utilizado como fuente de alimentación de diversos aparatos que
funcionan únicamente con voltaje directo. En este trabajo se programaron los siguientes
circuitos:
a) Reductor de voltaje (Buck).
b) Elevador de voltaje (Boost).
c) Reductor-Elevador de voltaje (Buck-Boost).
d) Cúk.
CD/CA: También llamados inversores ya que hacen la función inversa de los rectificadores
ya que el voltaje de entrada es una fuente de voltaje directo y a su salida se obtiene una
señal alterna. En este trabajo de tesis se programaron los circuitos:
a) Medio puente.
b) Puente H.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Sus principales usos son para mantener corriente eléctrica alterna de respaldo a partir de
una batería como en el caso de los “No break” o alimentar aparatos que sólo admiten
voltaje alterno a partir de una batería. Estos inversores se utilizan muy a menudo en las
tomas de corriente que se encuentran en coches y autobuses.
Todos estos convertidores se describirán con más detalle a continuación.
2.1.- Convertidores CA/CD:
2.1.1 Rectificador de media onda.
El circuito rectificador de media onda esta constituido básicamente por un diodo en serie
con la carga, en este caso resistiva únicamente. Es el más simple de los convertidores ya
que consta de un sólo elemento semiconductor y no requiere control.
El diodo es un elemento semiconductor que únicamente conduce corriente sí esta
polarizado directamente y por lo tanto si la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo
respectivamente es mayor que cero.
La entrada de este circuito es un voltaje senoidal a 60 Hz. Éste voltaje es transferido a la
carga a través del diodo con la restricción de que sólo conducirá si en los semiciclos
positivos y el voltaje a la salida será cero mientras a la entrada del circuito existan
semiciclos negativos. El diagrama esquemático del rectificador de media onda se muestra
en la figura 2.1.
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Figura 2.1.- Rectificador de media onda.
La forma de onda de salida Vout se muestra a continuación
Figura 2.2.- Forma de onda de salida del rectificador de media onda.
El voltaje rms de salida esta dado por
∫=π
ωωπ 0
22 )(21, tdtSenVrmsVout m
La cual al evaluarla resulta
2, VmrmsVout =
Donde Vm es el voltaje pico de la fuente de alimentación.
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rmsVinVm ,2 ⋅=
El voltaje medio de salida esta definido por:
πm
medoutVV =,
Por ley de Ohm, la corriente máxima en la resistencia es cociente del voltaje máximo entre
la resistencia. R
Vi m
m = y de igual forma la corriente media esta dada por el cociente del
voltaje medio entre la resistencia, R
Vi medout
medout,
, = , y por último la corriente rms en la
carga esta determinada por el cociente del voltaje rms de salida entre la resistencia de carga
RV
i rmsoutrmsout
,, = .
El factor de potencia es la razón de la potencia media y la potencia aparente.
rmsIrmsVrmsIrmsV
PFinin
outout
⋅⋅
=.. , en este caso 2
1.. =PF .
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2.1.2.- Rectificador de onda completa.
El diagrama esquemático del rectificador de onda completa se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3.- Rectificador de onda completa.
El rectificador de onda completa transfiere el voltaje de entrada a la carga en 2 etapas:
a) Cuando el voltaje de entrada proporciona un semiciclo positivo los diodos 1 y 2
están polarizados directamente mientras que los diodos 3 y 4 están inversamente
polarizados y no conducen.
b) Cuando el voltaje de entrada proporciona un semiciclo negativo los diodos 3 y 4
están polarizados directamente y transfieren el voltaje de la fuente a la carga
mientras que los diodos 1 y 2 están polarizados inversamente lo cual provoca que no
conduzcan corriente en ese periodo de tiempo.
La forma de onda de salida se muestra en la figura 2.4.
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Figura 2.4.- Forma de onda de salida del rectificador de onda completa.
El voltaje de salida rms del rectificador de onda completa esta dada por:
2, VmrmsVout = .
Donde Vm es el voltaje pico de la fuente de alimentación, por lo tanto:
rmsVinVm ,2 ⋅=
El voltaje medio en la carga esta dado por VmmedVoutπ2, = y la potencia en la carga se
calcula como:
RrmsVoutP
2,=
Por lo tanto, la carga calculada es:PrmsVoutR
2,= y la potencia máxima en la carga es
RV
P m2
max =
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La corriente máxima en la carga R
Vmio m=, , la corriente media R
medVoutmedio ,, = y la
corriente rms en la carga R
rmsVoutrmsiout ,, = . El factor de potencia esta dado por:
rmsIinrmsVinrmsIoutrmsVoutPF
,,,,..
⋅⋅
=
2.2.- Convertidores CA/CA.
2.2.1.- Convertidor controlado por ángulo de fase.
El triac es un dispositivo controlado similar a un diodo con la característica que es capaz de
conducir corriente en ambos sentidos siempre y cuando exista una diferencia de potencial
entre las terminales y además cuando la compuerta esta excitada. En la figura 2.5 se
muestra la configuración que se implementó en este programa.
Figura 2.5.- Diagrama del convertidor controlado por ángulo de fase.
En su configuración más simple en serie con una resistencia de carga y conectado a una
fuente de alimentación de corriente alterna es capaz de “recortar” a la señal de salida tal
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como se muestra en las figuras 2.6 y 2.7. En la figura 2.7 se muestra el voltaje de salida
con un ángulo de disparo “alfa” de 90 grados.
Figura 2.6.- Forma de onda del voltaje de entrada.
Figura 2.7.- Voltaje de salida.
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El fin de “recortar” al voltaje de salida es para cambiar el voltaje rms y/o voltaje medio
para diversas aplicaciones por ejemplo el control de iluminación.
El voltaje RMS de salida del convertidor está dado por:
πα
πα
2)2(1
2, senVmrmsVout +−=
Y el voltaje medio de salida es cero debido a la simetría de los semiciclos positivos y
negativos por lo tanto:
0=medVo
La carga se calcula mediante:
PrmsVR o=
La corriente pico en la resistencia está dada por R
VI pico
m = . El factor de potencia esta
determinado por:
IinVinIoutVoutPF⋅⋅
=.. .
Donde Vm es el voltaje pico de entrada rmsVV sm 2= .
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La potencia media en la carga [ παααπ
+−= )cos()(2
2
senR
VP mmed ] y la potencia máxima
disipada R
VP pico
pico
2
= .El voltaje pico de salida esta definido por:
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
≥
<=
2
si ),(
2 si ,
παα
πα
SenV
VV
m
m
pico
2.2.2.- Cicloconvertidor.
Un cicloconvertidor es un arreglo de rectificadores de onda completa controlados
estratégicamente a fin de poder cambiar tanto al voltaje de salida como la frecuencia de
salida. El diagrama esquemático del cicloconvertidor se muestra en la figura 2.8.
Forma 2.8.- Diagrama esquemático del cicloconvertidor.
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El funcionamiento del cicloconvertidor es muy simple si se analiza en 2 partes:
a) Si se controla al rectificador compuesto por los SCRs 1,2,3 y 4 se tiene en
la carga un voltaje en CD.
b) Si se controla al rectificador compuesto por los SCRs 5,6,7 y 8 se tiene en
la carga un voltaje en CD contrario al del inciso a)
De esta manera se obtiene una señal de alterna y dependiendo de cuantos semiciclos se
transfieran a la carga en forma alternada se determinará la frecuencia de salida.
Ésta aplicación es muy útil para el arranque de motores de CA ya que permite un arranque
lento y gradual hasta llegar a la velocidad máxima del motor.
En la figura 2.9 se muestra la forma de onda de salida de un cicloconvertidor a 30 Hz ya
que se transfieren a la carga 2 semiciclos por cada rectificador controlado.
Figura 2.9.- Forma de onda de salida del cicloconvertidor.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
El voltaje rms a la salida del cicloconvertidor esta dado por
πα
πα
4)2(
221, senVrmsVout m +−=
Donde el Vm es el voltaje pico de la fuente rmsVV sm 2= .
El voltaje medio a la salida es cero ya que por simetría el valor medio de los semiciclos
positivos son exactamente iguales siempre y cuando se los rectificadores se disparen para
un mismo valor de “alfa”, 0, =medVout .
El factor de potencia está dado por IinVinIoutVoutPF⋅⋅
=..
La corriente RMS en la carga esta dada por R
rmsVoutrmsIo ,, = .
La corriente pico por R
VI pico
m =
Donde
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
≥
<=
2
si ),(
2 si ,
παα
πα
SenV
VV
m
m
pico
Y la potencia máxima en la carga está dada por R
VP pico
pico
2
=
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2.3.- Convertidores CD/CD.
De toda la familia de los convertidores CD/CD existe un grupo de convertidores que se le
llaman conmutados. “La regulación se consigue por lo general mediante la modulación del
ancho de pulso a una frecuencia fija, y el dispositivo de conmutación por lo general es un
BJT, MosFet o IGBT de potencia” [1].
Hay 4 topologías para los reguladores conmutados:
1. Reductor de voltaje (Buck).
2. Elevador de voltaje (Boost).
3. Reductor-Elevador (Buck-Boost).
4. Cúk.
2.3.1.- Reductor de voltaje.
Un reductor de voltaje como su nombre lo indica es un convertidor que reduce el voltaje de
entrada respecto a su salida. El voltaje de entrada como el de salida están en CD.
“En un regulador reductor, el voltaje promedio de salida Vo, es menor que el voltaje de
entrada Vs de ahí la palabra REDUCTOR, el cual es muy popular.” [1].
El diagrama esquemático del reductor de voltaje se muestra en la figura 2.10.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Figura 2.10.- Reductor de voltaje.
“La operación del circuito se puede dividir en 2 modos. El modo 1 empieza cuando se
conecta el transistor en t=0. La corriente de entrada, que se eleva, fluye a través del
inductor L1, del capacitor C y la resistencia de carga. El modo 2 comienza cuando se
desconecta el transistor en t=t1. El diodo de marcha libre D1 conduce devido a la energía
almacenada en el inductor y la corriente del inductor continua fluyendo a través de L, C, la
carga y el diodo. La corriente del inductor se abate hasta el que el siguiente ciclo del
transistor se vuelva a activar.” [1].
El voltaje medio de salida, Vout, está dado por VsVOUT α= donde α es el ciclo de trabajo de
la señal de control y Vs es el voltaje de la fuente.
Por lo tanto, la corriente media a la salida en la carga esta dada por R
Vi outout = .
La corriente máxima en la bobina esta dada por:
LTV
RV
i outout
2)1(
maxα−
+=
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La corriente mínima en la bobina es:
LTV
RV
i outout
2)1(
minα−
−=
Donde L es la inductancia y esta determinada por s
outsout
ILVFVVV
L∆
−=
)( y la capacitancia está
dada por 28)1(
FVLV
Cout
out
∆−
=α para el caso de operación en modo continuo.
outV∆ =Rizo de voltaje de salida.
F=Frecuencia de conmutación.
La carga se calcula con la ecuación P
VR out
2
=
Las formas de onda ideales, tanto de entrada y salida son constantes como se muestra en la
figura 2.11.
Figura 2.11.- Voltaje de salida del reductor de voltaje
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
2.3.2.- Elevador de voltaje.
El elevador de voltaje se muestra en la figura 2.12. “En un regulador elevador, el voltaje
de salida es mayor que el voltaje de entrada, de ahí la palabra ELEVADOR”. “La
operación del circuito se puede dividir en 2 modos. El modo 1 empieza cuando se activa en
transistor en t=0. La corriente de entrada que se eleva, fluye a través del inductor L y del
transistor. El modo 2 empieza cuando se desconecta el transistor en t=t1. La corriente que
estaba fluyendo a través del transistor fluirá ahora a través de L, C, la carga y el diodo
Dm. La corriente del inductor de abate hasta que se vuelve a activar en el siguiente ciclo el
transistor. La energía almacenada en el inductor L es transferida a la carga.” [1].
Figura 2.12.- Circuito elevador de voltaje.
El voltaje de salida está determinado por la siguiente ecuación:
α−=
1VsVout
Donde α es el ciclo de trabajo de la señal de control.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
La corriente media en la carga está dada por R
VI outR = .
La corriente media en la bobina esta determinada por ( ) R
VmedI SL 21 α−
= , la corriente
máxima en la bobina ( ) L
TVR
VI SSL 21
max 2
αα
+−
= y la corriente mínima en la bobina por
( ) LTV
RVI SS
L 21min 2
αα
−−
= .
Para determinar la resistencia por ley de Ohm out
out
PVR
2
= .
La inductancia queda determinada por fI
VLL
S
∆=α donde LI∆ es la componente ondulatoria
de corriente en L, en modo continuo, y finalmente la capacitancia se calcula mediante la
ecuación fVR
VCout
out
∆=
α donde outV∆ es la componente ondulatoria de voltaje de salida.
Idealmente, la forma de onda de voltaje tanto a la entrada como a la salida es constante
como lo muestra en la figura 2.13.
Figura 2.13.- Voltaje de salida del elevador de voltaje.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
2.3.3.- Reductor-Elevador.
El reductor-elevador tiene la característica de elevar o reducir el voltaje de entrada o
incluso igualar, por ejemplo para un acoplamiento. Tiene la característica además de
cambiar la polaridad respecto al voltaje de entrada debido a que el flujo de corriente fluye
en sentido inverso.
El diagrama esquemático se muestra en la figura 2.14.
Figura 2.14.- Reductor-Elevador de voltaje
“Un regulador reductor-elevador suministra un voltaje de salida que puede ser menor o
mayor que el voltaje de entrada, de ahí el nombre REDUCTOR-ELEVADOR; la polaridad
del voltaje de salida es opuesta a la del voltaje de entrada”.[1].
“La operación del circuito se puede dividir en 2 modos. Durante el modo 1, el transistor
esta activo y el diodo D1 tiene polarización inversa. La corriente de entrada, que se eleva,
fluye a través del inductor L y el transistor. Durante el modo 2, el transistor es conmutado
y la corriente que fluía a través del inductor L, fluirá a través de L, C, D1 y la carga. La
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
energía almacenada en el inductor L se transferirá a la carga y la corriente del inductor se
abatirá hasta que el transistor vuelva a activarse en el siguiente ciclo.” [1].
El voltaje medio de salida está dado por:
αα−
−=1
VsVout
y la corriente media en la carga es R
VmedI OR = donde R es la resistencia de carga y por ley
de Ohm out
out
PVR
2
= .
La corriente media en la bobina L1 esta determinada por ( ) R
VmedI SL 21 α
α−
= , la corriente
máxima en la bobina está dada por ( ) 21
max 2LS
LI
RVI ∆
+−
=αα y por último la corriente
mínima está dada por( ) 21
min 2LS
LI
RVI ∆
−−
=αα .
La capacitancia y la inductancia están determinadas por fVR
VCout
out
∆=
α y L
S
IfVL∆
=α
respectivamente donde es la componente de corriente ondulatoria en L para el modo
continuo y es la componente de voltaje ondulatorio en la salida.
LI∆
outV∆
Las formas de onda de salida y de entrada se muestran en la figura 2.14.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Figura 2.14.- Forma de onda de salida del reductor-elevador de voltaje.
2.3.4.- Regulador Cúk
Llamado así en honor a su inventor. Este circuito al igual que el reductor-elevador puede
elevar o reducir el voltaje de salida respecto a la entrada. De igual modo invierte el voltaje
respecto a la fuente, similar que el reductor-elevador.
El diagrama esquemático del convertidor Cúk se muestra en la figura 2.15.
Figura 2.15.- Circuito Cúk.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
“La operación del circuito se puede dividir en 2 modos. Durante el modo 1, el transistor
esta activo en t=0. La corriente se eleva a través del inductor L1. Simultáneamente, el
voltaje en el capacitor C1 pone en polarización inversa al diodo D1 y lo desactiva. El
capacitor C1 descarga su energía en el circuito formado por C1, C2, la carga y L2. El
modo 2 empieza cuando se desconecta el transistores t=t1. Se carga el capacitor C1 a
partir del suministro de entrada y la energía almacenada en el inductor L2 se transfiere a
la carga. El diodo D1 y el transistor proporcionan una conmutación síncrona. El capacitor
C1 es el medio para la transferencia de energía de la fuente a la carga.” [1].
El voltaje medio de salida de convertidor Cúk esta definido por:
αα−
−=1
VsVout
La corriente media en la bobina es igual a la corriente media en la salida esto es:
RVoutmedI L =2
Donde R es la resistencia de carga y está calculada por out
out
PVR
2
= ,
La corriente máxima, mínima y media para L1 en modo continuo se muestran a
continuación:
( )αα−
=11 RVmedI out
L
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Donde es la componente ondulatoria de corriente (o rizo de corriente) en L1 1LI∆
Y el la componente ondulatoria de corriente (o rizo de corriente) en L2. 2LI∆
Así mismo para la bobina L2, en modo continuo:
RVmedI out
L =2
El voltaje en el capacitor C1
α−=
11S
CVV
Las inductancias se calculan de la mediante las siguientes ecuaciones
11
L
S
IfVL∆
=α
22
L
S
IfVL∆
=α
Y por último las capacitancias C1 y C2 se calculan con las ecuaciones:
( )fV
ICC
L
1
11
1∆
−=
α
22
22 8 C
S
VfLVC∆
=α
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Idealmente, las formas de onda de salida así como la de entrada son similares al circuito
anterior.
Donde es la componente de voltaje ondulatorio (o rizo de voltaje) en C1y es la
componente de voltaje ondulatorio en la salida.
1CV∆ 2CV∆
2.4.- Convertidores CD/CA.
Los circuitos implementados en este programa son: medio puente y puente H con carga
resistiva únicamente.
También llamados inversores de onda cuadrada y son muy utilizados actualmente en
dispositivos de seguridad para apagones eléctricos, “No break”, también muy utilizados en
autos y camiones para invertir de un voltaje de CD de 12 Volts a un voltaje de CA de 120
Volts.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
2.4.1.- Medio puente.
El primero de los circuitos, el medio puente, se muestra en la figura 2.16.
Figura 2.16.- Diagrama esquemático del medio puente H.
Su funcionamiento es bastante simple, fácil de implementar y controlar. Requiere
únicamente 2 transistores de potencia.
Cuando el transistor 1 se conecta (y se desactiva el transistor 2 ) la corriente fluye a través
de T1, la carga y C2 lo cual provoca que en la resistencia de carga la polaridad sea positiva
en el extremo derecho y negativa en el izquierdo. El voltaje en la fuente a su vez se divide
en 2, la mitad cae en la resistencia de carga y la otra mitad cae en C2.
Cuando el transistor 1 se desactiva y se activa el transistor 2 ahora la corriente fluye a
través del capacitor C1, la larga y el transistor 2, lo cual provoca que la polaridad sea
positiva en el extremo izquierdo de la carga y y negativa en el derecho.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
De igual manera, el voltaje en la fuente se divide en 2, la mitad apara la resistencia de carga
y la otra mitad cae en el capacitor C1.
La forma de onda de salida del medio puente se muestra a en la figura 2.17.
Figura 2.17.- Forma de onda de entrada y salida del medio puente.
El voltaje de salida del medio puente es 2
, VsrmsVout =
Por simetría, el voltaje medio es cero, 0=Vmed , por lo tanto la corriente media en la carga
también es cero.
La corriente RMS en la carga esta definido por R
rmsVoutrmsIo ,, = donde R es la
resistencia de carga PrmsVoutR
2,= .
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
2.4.2.- Puente H.
El puente H similar al medio puente con la ventaja de que a su salida proporciona ± Vs. A
diferencia de que el medio puente sólo proporciona a la carga la mitad del voltaje de
entrada.
El diagrama esquemático del puente H se muestra en la figura 2.18.
Figura 2.18.- Diagrama esquemático del puente H.
Compuesto ahora de 4 transistores de potencia. Si se activan los transistores 1 y 2 ( y se
desactivan los transistores 3 y 4 ) la corriente fluye de la fuente hacia el transistor 1, la
carga y el transistor 2. De esta manera la polaridad en la carga es positiva en el extremo
izquierdo y negativo en el derecho. El voltaje en la carga es exactamente el mismo que el
de la fuente.
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Capítulo 2.- Breve descripción de los convertidores electrónicos de potencia.
Por otro lado cuando se activan los transistores 3 y 4 y se desactivan los transistores 1 y 2,
la corriente fluye desde el transistor 4, la carga, y el transistor 3. Así la polaridad en la
carga es positiva en el extremo derecho de la carga y negativa en el izquierdo.
La forma de onda de entrada y salida se muestra en la figura 2.19.
Figura 2.19.- Forma de onda de salida del puente H.
El voltaje rms de salida para el puente H es
VsrmsVout =, .
La corriente RMS en la carga esta definido por R
rmsVoutrmsIo ,, = donde R es la
resistencia de carga PrmsVoutR
2,= .
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