¡Hola! ¿Cómo estás? Espero te encuentres de maravilla y con muchas ganas de aprender, hoy vas a conocer a fondo una de las ramas de la electrónica más importante e interesante: la ELECTRÓNICA DE POTENCIA.

¿Qué es lo que aprenderás? Bueno, no voy a llenarte de spoilers, pero lo que si te diré es que. como ya es costumbre, aprenderás desde la definición del concepto de la electrónica de potencia, hasta detalles de su aplicación y detalles técnicos. Descuida, que será mucho más sencillo de lo que crees.

El objetivo es sencillo: al final de este artículo, tu podrás tener la capacidad de explicar de comienzo a fin de que trata la electrónica de potencia; además, cuando te encuentres trabajando con este tipo de electrónica, podrás aplicar los conocimientos teóricos que hoy conocerás para la resolución de problemas. Todo esto lo podemos lograr si nos esforzamos en este viaje y le echamos muchas ganas.

Antes de pasar de lleno a conocer que es la electrónica de potencia, primero hablemos del término principal de este tema: la potencia, ¿Qué es?

La potencia se define como la porción de trabajo que se produce en un determinado tiempo.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la potencia se representa con la letra (W) y su unidad de medida es el Watt, aunque en otras fuentes también puedes encontrar el Vatio como unidad de medida. Dentro de la potencia, podemos encontrar 4 tipos de potencia: potencia mecánica, potencia eléctrica, potencia sonora y potencia calorífica.

• Ya que exploramos un poco el concepto e potencia, llegó la hora de saber que es la electrónica de potencia, tengo un post dedicado a potencia por favor revísalo: Potencia: ¿Qué es y qué tipos existen?

¿Qué es la electrónica de potencia?

La electrónica de potencia se puede definir como una parte de la electrónica que se dedica a estudiar todos aquellos sistemas y circuitos electrónicos con el objetivo de controlar, convertir y procesar la energía eléctrica.

Según Muhammad H. Rashid, en su libro titulado “Power Electronics Circuits, Device and Applications” (1993):

La electrónica de potencia es la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y conversión de la potencia eléctrica.

Hablando específicamente de esta definición, podemos deducir que la parte de control se encarga de las características de todo sistema en lazo cerrado.

La potencia se ocupa de todos aquellos sistemas que tengan como objetivo la generación o distribución de la potencia eléctrica. Al final, la parte de la electrónica hace referencia a todos aquellos circuitos o dispositivos de estado solido que trabajan con señales para obtener un control necesario.

De esta forma, la electrónica de potencia otorga la posibilidad de convertir y adaptar la energía eléctrica para diversos fines, como la alimentación controlada de otros sistemas de potencia, controlar la velocidad de maquinas eléctricas, o simplemente para convertir la energía eléctrica de corriente alterna a continua o al revés.

Todo lo anterior mencionado es posible gracias a los semiconductores de potencia, los cuales veremos más adelante.

¿Diferencias de la electrónica de potencia y la electrónica clásica?

A diferencia de la electrónica de señal, donde su principal característica es la ganancia y su función base es la amplificación, la electrónica de potencia posee como concepto principal el rendimiento y su función base suele ser la conversión.

Los dispositivos semiconductores de potencia deben de trabajar como interruptores de energía (encendido/apagado), y dicha labor debe estar bajo el régimen de la conmutación. De esta forma, los componentes de la electrónica de potencia deben cumplir con las siguientes características:

• Soporte de grandes cantidades de voltaje y de corriente cuando se está en estado de bloqueo, con caídas de voltaje en sus extremos.
• Poseer dos estados principales: de alta impedancia (bloqueo) y de alta impedancia (conducción).
• Versatilidad al pasar de un estado de impedancia a otro.
• Facilidad para pasar de estado a estado.

Otra de las diferencias más importantes que existe entre la electrónica de potencia y la electrónica clásica, es que en la electrónica de potencia la mayoría de las veces se trabajan con sistemas y circuitos que ocupan una cantidad de energía mucho más grande, mientras que en la electrónica clásica algunas aplicaciones no pasan de trabajar con 5 volts, por ejemplo.

Ahora que ya conoces las principales diferencias entre la electrónica de potencia y la electrónica clásica, es tiempo de que conozcas las ventajas y desventajas que posee la electrónica de potencia. ¿Me acompañas?

Ventajas y desventajas de la electrónica de potencia

No todo es miel sobre hojuelas, la electrónica de potencia tiene ciertas ventajas y desventajas, a continuación te desgloso ambas:

➤ Ventas

Algunas de las ventajas que posee el uso de la electrónica de potencia, son las siguientes:

• Poca necesidad de mantenimiento: la mayoría de los sistemas de electrónica de potencia (en especial los transformadores) no requieren mucho mantenimiento; esto es debido a su simplicidad, ya que el diseño de estos equipos no tienen partes mecánicas en movimiento.
• Alta eficiencia: gracias a que en la electrónica de potencia se utilizan componentes semiconductores de potencia, los sistemas poseen poca perdida de energía.
• Respuesta rápida: a diferencia de los equipos mecánicos y electromecánicos, los sistemas pertenecientes a la electrónica de potencia tienen una respuesta dinámica eficiente y rápida.
• Bajo costo: esta ventaja se debe a que los sistemas de electrónica de potencia son de tamaño reducido y de menor peso; en consecuencia, estos equipos tienen un menor costo de fabricación y de instalación.

➤ Desventajas

A pesar de todo, sabemos que las cosas no suelen ser perfectas (menos en el mundo de la electrónica), es por eso que a continuación conocerás las desventajas de la electrónica de potencia:

• Armónicos: los sistemas de electrónica de potencia tienden a crear armónicos, tanto en la parte del circuito de carga, como en la parte de la conexión de la fuente de alimentación. Estos armónicos se crean en la tensión y en la corriente del dispositivo. Este fenómeno sucede con más frecuencia en los convertidores.
• Regeneración: en los convertidores electrónicos de potencia, es complejo que se presente una eficiente regeneración de energía.
• Factor de potencia: volviendo a los convertidores, los que convierten de corriente alterna (C.A) a corriente continua (C.C) o viceversa, funcionan con un factor de potencia de entrada muy bajo, siendo necesaria la instalación de equipos de compensación de potencia reactiva.
• Capacidad de carga: los controladores electrónicos de potencia tienden a poseer una baja capacidad de carga.

Quizá aún te sigas preguntando ¿Cuál es el objetivo principal de la electrónica de potencia? Veamosa detalle.

¿Cuál es el objetivo principal de la electrónica de potencia?

Uno de sus objetivos más importantes es la administración y conversión de la energía eléctrica de forma eficiente.

Para que dicho objetivo pueda cumplirse, en la electrónica de potencia no se utilizan componentes resistivos, debido a que pueden ocasionar perdidas de energía por efecto Joule, y por lo tanto, los componentes principales dentro de esta disciplina son los capacitores y las bobinas, además de los semiconductores de potencia, los cuales te mencioné en las ventajas de esta rama de la electrónica.

Ahora que ya conoces más sobre el concepto de la potencia eléctrica y algunos puntos que definen a la electrónica de potencia, es hora de que conozcas un poco de la historia que hay detrás de esta disciplina ¿Te apuntas?

Historia de la electrónica de potencia

Hemos llegado a la parte de las clases de historia. ¿Estás lista/o? ¡Vamos!

• En algunas fuentes podrás encontrar que la electrónica de potencia comienza en el año 1956, pero en realidad, los inicios de la que ahora es una disciplina datan del año 1900 con la invención de los rectificadores (de arco de mercurio y de tanque metálico), el tiratrón y el fanotrón.
• Estos dispositivos se utilizaban para controlar la energía, y se dejaron de utilizar por ahí de los años 50, pues años antes (1948) se inicia la primera revolución electrónica, dejando como resultado la creación del transistor de silicio, a manos de los laboratorios Bell.
• Finalmente llegamos a 1956, año donde la compañía General Electric desarrolla el rectificador controlado de silicio o SCR, por sus siglas en ingles. Gracias al SCR, fue posible realizar muchas aplicaciones administrando la energía eléctrica; además, gracias a la invención del SCR, se han desarrollado muchos dispositivos para la electrónica de potencia, con el objetivo de que operen a mayores potencias y frecuencias.
• En la actualidad, la electrónica de potencia ha tomado una importancia muy grande, pues se dice que si se llega a descubrir todo el potencial que posee esta rama de la ingeniería, las posibilidades de controlar la energía eléctrica de cualquier dispositivo serán infinitas, haciendo posible el sueño de la energía infinita. Interesante, ¿no?
• Hemos mencionado mucho a los componentes semiconductores, los cuales tienen un protagonismo en la historia de la electrónica de potencia, pero quizá te estés preguntando: ¿Qué son? ¿Cuáles son? ¿Con qué se comen? Descuida, que en el siguiente apartado te platicaré con más detalle sobre estos semiconductores que definen a la electrónica de potencia.

Semiconductores utilizados en la electrónica de potencia

Al hablar de los semiconductores de potencia, me refiero a todos aquellos componentes semiconductores que son base en la electrónica de potencia, y que hacen posible las diversas aplicaciones de esta disciplina. Estos componentes se clasifican en tres partes, dependiendo de su nivel de controlabilidad: Diodos, Tiristores y Conmutadores controlables.

➤ Diodos

• El diodo es un elemento semiconductor que esta constituido por una sola unión PN.
• Este tipo de dispositivos son unidireccionales, es decir, solo pueden circular la corriente en una sola dirección, siendo la única forma de control el invertir el voltaje ánodo-cátodo.
• Poseen dos estados de funcionamiento, controlables por medio de un circuito de potencia.

Existen diversos diodos en el campo de la electrónica, pero los que tienen más protagonismo en la electrónica de potencia son los siguientes:

• Diodos Schottky: este tipo de diodos son ideales si necesitas una caída de voltaje directo con valores muy pequeños (cerca de los 0,3v), lo que generalmente se aplica en circuitos que poseen pequeños voltajes de salida.
• Diodos de frecuencia de línea: estos diodos son excelentes si te encuentras con aplicaciones de la frecuencia en línea, pues el voltaje en el estado “ON” en este tipo de diodos es de valor pequeño; además, los diodos de frecuencia de línea tienen la capacidad de bloquear valores altos de voltaje y conducir valores altos de corriente, llegando a satisfacer cualquier rango de estos valores.
• Diodos de recuperación rápida: si en tu circuito de potencia requieres una recuperación rápida, este diodo te servirá de mucho. Es ideal para aquellos circuitos donde se tenga una frecuencia alta combinada con conmutadores controlables.

➤ Tiristores

Un tiristor se define como aquél componente semiconductor que posee dos estados estables, basándose su funcionamiento en la realimentación regenerativa gracias a una estructura interna tipo PNPN.

Poseen dos estados (ON/OFF), pero siempre son fijados en “ON" por una señal de control y deben conmutar en estado “OFF” por medio de un circuito de potencia.

El principal tiristor utilizado en la electrónica de potencia es el rectificador controlado de silicio (SCR), pero de este se derivan otros transistores que también son utilizados con frecuencia en esta disciplina. Algunos ejemplos son los siguientes:

• Tiristor GTO (Tiristor apagado por compuerta).
• Tiristor MCT (Tiristor controlado por MOS).
• Tiristor IGCT (Tiristor controlado por compuerta).

Si deseas conocer más sobre los tiristores, te invito a leer un articulo que ya he escrito dando especial atención a este fenomenal componente y su funcionamiento, se que te va a encantar.

• Guía completa del funcionamiento del Tiristor

➤ Conmutadores controlables

Al hablar de conmutadores controlables, se habla de dispositivos semiconductores como el transistor BJT y los MOSFET, los cuales también tienen una especial participación dentro de la electrónica de potencia, debido a que tienen la propiedad de poder ser conmutados a conducción y corte gracias al manejo de señales de control.

Las tres propiedades principales que debe poseer un conmutador ideal, son las siguientes:

• Nulo consumo de potencia para el control.
• Conducción de corriente de cualquier tipo con una caída de tensión de cero volts.
• Bloqueo de cualquier voltaje directo o inverso sin que ninguna corriente circule.

Pero como bien sabes, nada es ideal en la realidad, y menos si estamos hablando de la electrónica, por eso hay que tener mucho cuidado al trabajar con conmutadores reales, pues llegan a ser tan frágiles que en la misma aplicación se destruyen fácilmente.

Ya que conociste de cerca a los componentes esenciales dentro de la electrónica de potencia, es tiempo de que conozcas también los sistemas base de la electrónica de potencia: los convertidores de energía eléctrica.

➤ Convertidores de energía eléctrica

Otro concepto estrella que toma gran relevancia dentro del mundo de la electrónica de potencia, es el de la conversión de energía eléctrica. En esta disciplina, se maneja la transformación de potencia, que consiste en convertir un tipo de energía a otra diferente.

Estos convertidores son utilizados en equipos llamados convertidores estáticos de potencia, los cuales se clasifican en cuatro sistemas diferentes:

• Rectificadores: estos sistemas se encargan de convertir la corriente alterna (C.A) en corriente directa o continua (C.C). Aquí puedes encontrarte con circuitos rectificadores monofásicos y circuitos rectificadores trifásicos.
• Cicloconversores: tienen la capacidad de convertir la corriente alterna en otra corriente alterna de frecuencia menor.
• Choppers: pueden convertir corriente continua en corriente continua de menor o mayor intensidad, dependiendo de la configuración que se le proporcione. Existen dos formas de realizar la conversión C.C a C.C: mediante convertidores lineales basados en transistores que operan en sus zonas activas, o convertidores conmutados basados en interruptores estáticos operando en sus dos estados de funcionamiento ON/OFF a grandes frecuencias de velocidad. Dentro de los Choppers, puedes encontrarte como principales convertidores al convertidor elevador (convertidor Boost), al convertidor reductor-elevador (convertidor Buck-Boost) y al convertidor Flyback.
• Inversores: Los inversores estáticos realizan la conversión de corriente continua a corriente alterna. Este tipo de circuitos son utilizados en aplicaciones donde se exige una baja distorsión en la forma de onda de salida, así como una buena estabilidad en el voltaje y la frecuencia. Al igual que en los rectificadores, puedes encontrarte con inversores monofásicos y trifásicos.

Ya estamos acercándonos al final de este artículo, y que mejor que terminarlo conociendo cuales son aquellas aplicaciones en las cuales la electrónica de potencia brilla. Vamos, veamos cuales son esas aplicaciones.

Aplicaciones de la electrónica de potencia

La electrónica de potencia hoy en día tiene muchísimas aplicaciones y mucho futuro, pues hasta hay líneas de investigación que dedican todos los recursos a encontrar formas más eficientes de manejar la energía eléctrica, enfocándose en la reducción de costos, de contaminación y aumentando las posibilidades de aplicación.

Algunas de las principales aplicaciones de la electrónica de potencia son las siguientes:

• Calentamiento por inducción: puede que el manejo del calor te parezca algo irrelevante, pero créeme cuando te digo que puede revolucionar la forma en que calentamos nuestros alimentos. El calentamiento por inducción consiste en el calentamiento de un material con propiedades de conducción utilizando un campo creado por un inductor. Como la alimentación del inductor es a altas frecuencias, aquí entra en juego los convertidores electrónicos de frecuencia.
• Control de motores eléctricos: gracias al avance que existe en la electrónica de potencia y sus convertidores, hoy en día existe un mejor control en los motores eléctricos, permitiendo controlar con más eficiencia la velocidad, el par suministrado o la posición de dichos motores.
• Eficiencia energética: esta en una aplicación emergente de la electrónica de potencia, pues aquí se ubican los controles de velocidad variable y los balastos electrónicos, así como los almacenadores magnéticos.
• Medio-ambiente: gracias a los avances en la electrónica de potencia, se tiene un mejor control sobre la forma en que la potencia eléctrica es suministrada y consumida. También tiene gran impacto en el avance tecnológico de los vehículos eléctricos.
• Fuentes de alimentación: esta es la aplicación estrella de la electrónica de potencia, pues se han logrado muchas cosas y se planean seguir logrando muchas cosas. Por ejemplo:
  • Gracias a la electrónica de potencia hoy tenemos las fuentes de alimentación conmutadas, que son subtipos de fuentes electrónicas de alimentación las cuales poseen un elevado rendimiento y un tamaño muy reducido.
  • Otro ejemplo más claro y contundente, son todos nuestros equipos telefónicos, los cuales ya son capaces de cargarse totalmente en menos de una hora, cuando antes tenias que esperar bastante tiempo para tener una carga de 100%.
  • Ahora es posible cargar tu teléfono en el metro gracias a un conector USB, y en algunos sitios hasta en el bus es posible.

Todos estos avances son gracias al estudio de la electrónica de potencia. Magnifico ¿No crees?

Como ya te mencioné, es un campo bastante importante en la ciencia y que hoy en día toma bastante fuerza, pues gracias a la electrónica de potencia, podremos revolucionar la forma en que consumimos la energía eléctrica, base de todo sistema electrónico de este planeta.

Vídeo de electrónica de potencia

Si has llegado hasta aquí, ¡te felicito! Hemos llegado al final de este corto, pero importante artículo. Como pudiste ver, a pesar de que la rama de la electrónica de potencia sea un poco ignorada por muchos planes de estudio e investigaciones, es un campo lleno de aplicaciones fenomenales, pues puede cambiar totalmente la forma en que consumimos la energía eléctrica. Sin duda, la electrónica de potencia tiene un futuro muy prometedor, y cada que veas que tu teléfono se carga en 45 minutos, recuerda que es una de las tantas cosas que se han logrado gracias a la electrónica de potencia.

Como es costumbre, no me voy de aquí sin antes dejarte algunos puntos que valen la pena recordar ahora, para irnos mucho más frescos de conocimiento. Anda, último empujón.

• ¿Qué es la electrónica de potencia? La electrónica de potencia se puede definir como una parte de la electrónica que se dedica a estudiar todos aquellos sistemas, circuitos electrónicos y dispositivos con el objetivo de controlar, convertir y procesar la energía eléctrica.
• La electrónica de potencia permite controlar la energía eléctrica para poder almacenarla, producirla o suministrarla de forma más limpia y eficiente.
• Tiene su origen desde el año 1900, pero no fue hasta 1956 con la creación del SCR que se impulso su estudio y aplicaciones.
• Los principales componentes electrónicos que existen en la electrónica de potencia, son los diodos, los tiristores y los conmutadores controlables.
• Otro de los sistemas principales que posee la electrónica de potencia, son los diversos convertidores de energía eléctrica, permitiéndonos pasar de corriente alterna (C.A) a corriente continua (C.C) o viceversa con una mayor velocidad y facilidad.
• La electrónica de potencia tiene muchas aplicaciones, pero la que tiene más auge actualmente es la de fuente de alimentación.

Y así es como hemos acabado. Si te ha gustado, no olvides compartirlo con algún amigo, amiga, novio, novia o familiar que creas que le ayudará mucho. Si te sigue interesando este tema, te recomiendo echarle un ojo a los demás artículos relacionados, como el de tiristores. 

No olvides dejar de aprender y, sobre todo, de practicar. 

¡Hasta la próxima! 😎