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Curso de Electrónica de Potencia – Parte 10 – Componentes antiguos (CUR2010S)

10.1 - El Diodo de selenio

El diodo de selenio es un diodo rectificador bastante antiguo, habiendo sido creado en 1933 para ser utilizado como rectificador, sustituyendo las viejas válvulas rectificadoras en fuentes de alimentación de alta corriente tales como cargadores de batería.

Los equivalentes modernos de estos diodos son los diodos de silicio, que además de tener una capacidad de corriente mucho más alta en algunos casos, son también componentes económicos.

En la figura 1 tenemos los aspectos de estos diodos.

 

Figura 1 – Diodos de selenio
Figura 1 – Diodos de selenio

 

 

Estos diodos están formados por pilotes de placas de aluminio o placas de acero dotadas de una fina capa de níquel o bismuto.

En esta capa hay un dopaje de selenio que dota a la estructura de propiedades semiconductoras, funcionando como un diodo.

Cada par de placas funciona como un diodo con una tensión inversa máxima del orden de 20 V. en la figura 2 tenemos la estructura de este diodo.

 

Figura 2   -  Estructura del diodo de selenio
Figura 2 - Estructura del diodo de selenio

 

 

Para sustituir un diodo de este tipo por un silicio, debe verificarse la tensión inversa de pico y la corriente. Esta información se puede obtener por lo general simplemente analizando el circuito en el que se encuentra.

 

Válvula de Tungar

Esta fue una válvula rectificadora a gas utilizada en fuentes de alimentación antiguas.

Se trata de una válvula llena de gas argón destinada a rectificar las altas corrientes en régimen de bajas tensiones. Muy común en cargadores de batería antiguos, habiendo sido creados en 1916.

En la figura 3 tenemos la apariencia de estas válvulas, ya bastante raras en nuestros días.

 

Figura 3  -  Válvulas Tungar
Figura 3 - Válvulas Tungar

 

 

Tenga en cuenta la base de la válvula similar a la de una bombilla común de luz incandescente.

Esas válvulas tienen como equivalente moderno el diodo del silicio. En una aplicación, basta con encontrar la tensión y la corriente para que el reemplazo sea directo.

En la figura 4 tenemos un cargador de batería antiguo usando dos de estas válvulas.

 

Figura 4 – Antiguo cargador de baterías con dos válvulas Tungar
Figura 4 – Antiguo cargador de baterías con dos válvulas Tungar

 

 

En la figura 5 el aspecto de este antiguo cargador de batería con capacidad de 2 A.

 

 

Figura 5 – Cargador de principios del siglo XX con válvula de Tungar
Figura 5 – Cargador de principios del siglo XX con válvula de Tungar

 

 

Otras válvulas de rectificadoras

Varios tipos de válvulas de gas con la función de rectificar las altas tensiones y las altas corrientes se pueden encontrar en el equipo antiguo.

 

Kenotrón

Válvula rectificadora del alto-vacío usada en circuitos rectificadores de alta tensión. Esta válvula fue creada en 1914 por GE.

En la figura 6 tenemos un ejemplo de este tipo de válvula, recordando que en el momento en que los circuitos de la válvula usaban altas tensiones en su alimentación y había equipos de transmisión cuyas tensiones de alimentación llegaban a miles de volts.

 

Figura 6 – Una válvula Kenotrón
Figura 6 – Una válvula Kenotrón

 

 

Excitron

Esta fue una Válvula rectificadora de mercurio para alta potencia. Formada por un ánodo y un cátodo en un bulbo de cristal.

Esta válvula fue inventada en 1902, y por su capacidad para trabajar con corrientes intensas y altas tensiones se empleó en locomotoras y radiotransmisores de la época.

 

Fanotron

Válvula diodo de gas con cátodo caliente. Válvula creada en 1939 utilizada en rectificación.

En la figura 7 tenemos el símbolo de esta válvula

 

Figura 7 – Símbolo de la válvula Fanotron
Figura 7 – Símbolo de la válvula Fanotron

 

 

Diodos semiconductores que sustituyen las válvulas

Las válvulas rectificadoras, Tungar y otras ya no son tan sencillas de encontrar.

En el caso específico de las válvulas del rectificador, usadas en fuentes de alimentación, es posible substituir por los diodos rectificadores de tensiones sobre 400 V como el semiconductor o aún el BY127.

La figura 8 muestra cómo utilizar dos diodos en lugar de un rectificador de onda completa. Asegúrese de que el bobinado del filamento se mantiene libre, ya que ya no será necesario utilizarlo.

 

Figura 8 – Sustitución de las válvulas rectificadoras del diodo
Figura 8 – Sustitución de las válvulas rectificadoras del diodo

 

 

En la figura 9 se muestra cómo identificar los pines de una válvula. Mirando por debajo, empezamos desde el espacio en sentido horario. Esto es válido para todas las válvulas. En aquellos donde no hay espacio, encontramos una marca que indica dónde debe comenzar la cuenta regresiva.

 

Figura 9 – Pines de  válvulas
Figura 9 – Pines de válvulas

 

 

Válvulas reguladoras de tensión

Un tipo de válvula encontrada en el equipo antiguo y que se puede considerar un componente de potencia es la válvula de regulación de la tensión del gas.

Podemos decir que este componente es el antiguo equivalente de los diodos Zener actuales, para lo cual pueden ser sustituidos.

Cuando se somete a una tensión, que provoca la ionización del gas, conduce la corriente, pero mantiene una tensión constante entre sus terminales, igual que en el caso de un Zener.

Los tipos antiguos se especificaron de acuerdo con la tensión, dando un ejemplo en la figura 10.

 

Figura 10 -  Aplicación de reguladores de tensión
Figura 10 - Aplicación de reguladores de tensión

 

 

En la figura 11 tenemos una válvula VR105 de 105 volts.

 

Figura 11 – Válvula reguladora VR105
Figura 11 – Válvula reguladora VR105

 

 

El circuito que se muestra en la figura 12 utiliza válvulas reguladoras de gas que son el tiempo equivalente a los diodos Zener. Cada válvula regula la tensión en 150 V.

La corriente es baja, del orden de unos pocos cientos de miliampères y el choque del filtro se puede hacer con un transistor de 110 V x 6 V x 300 mA aprovechando su bobinado primario.

Observe la tensión de los capacitores del filtro y que la única resistencia debe ser de alambre con 10 W de disipación.

En la figura 12 el circuito completo de la fuente.

 

Figura 12 – Fuente estabilizada con válvula
Figura 12 – Fuente estabilizada con válvula

 

 

Tiratrón

Los Tiratrones o Thyratrons, o todavía las válvulas Tiratrón son dispositivos de disparo cuyo funcionamiento equivale a SCR.

Es un control de potencia consistente en un tubo con tres electrodos, lleno de gas, como se muestra en la figura 13.

 

Figura 13 – La válvula Tiratrón – símbolo y aspectos
Figura 13 – La válvula Tiratrón – símbolo y aspectos

 

 

Se aplica una tensión entre el ánodo y el cátodo, manteniendo el dispositivo en el umbral de conducción. Para que conduzca es necesario aplicar un pulso en el electrodo de disparo (grid), para ionizar el gas interno.

El dispositivo, como los SCRs, permanecerá en la conducción intensa incluso después de que el pulso del disparo desaparece.

Para apagar la válvula Tiratrón necesita hacer que la tensión entre el ánodo y el cátodo caiga por debajo del valor de mantenimiento.

Estas válvulas todavía se encuentran en aplicaciones de control de motor de alta potencia como en ferrocarriles, viejas máquinas industriales, etc.

El circuito que se muestra en la figura 14 sirve tanto para demostrar el funcionamiento de este tipo de dispositivo como para probar su funcionamiento.

Partiendo con el cursor en el punto B, el momento en que se alcanza el tensión del disparo y luego la válvula conduce encendiendo la lámpara.

La lámpara es de tipo 220 V con 4 o 5 W de potencia.

Se debe utilizar una fuente simétrica de 170 V para alimentar el circuito.

 

Figura 14 – Circuito con válvula Tiratrón
Figura 14 – Circuito con válvula Tiratrón

 

 

Vibradores

Los inversores actuales que convertían los 12 V de una batería en alta tensión para alimentar una carga de corriente continua o alterna tenían antes de la llegada de los semiconductores que estudiamos, un equivalente electromecánico.

Este mismo componente también se encontró en vehículos de la primera mitad del siglo XX, cuyo propósito era obtener alta tensión para circuitos de tubos como radios, equipos de comunicación, etc.

Este extraño componente en nuestros días era el vibrador.

En los vehículos anteriores a la era de los transistores, las radios estaban todavía en válvulas, lo que significaba que necesitaban tensiones de cientos de volts para funcionar, diferentes de los 6 o 12 V suministrados por las baterías de los coches de la época.

Cómo conseguir este alto tensión fue un problema resuelto con un componente muy interesante, totalmente electromecánico, ya que en ese momento no era posible depender de componentes de estado sólido.

Ese componente era el vibrador. Un sistema electromecánico que rápidamente vibraba un conjunto de contactos que, abriendo y cerrando el circuito de un transformador generó una alta tensión.

En la figura 15 tenemos un circuito de un vibrador de tipo interruptor obtenido en una edición de Radiotron Handbook edición de 1953, utilizado en coches de la época.

 

Figura 15 -  Vibrador tipo interruptor.
Figura 15 - Vibrador tipo interruptor.

 

 

En este circuito la acción de la bobina interna hace que los contactos vibren induciendo a un transformador externo una alta tensión.

No es necesario decir que es un dispositivo ruidoso capaz de generar muchas interferencias en los sistemas eléctricos cercanos.

La recuperación de un vibrador se puede hacer abriendo su cubierta metálica y limpiando sus contactos.

En la figura 16 tenemos algunos vibradores que todavía se pueden obtener en casas especializadas en piezas para coches antiguos como anuncios en Internet.

 

Figura 16 – Vibradores comerciales que se pueden comprar incluso hoy en las tiendas de piezas de coleccionista
Figura 16 – Vibradores comerciales que se pueden comprar incluso hoy en las tiendas de piezas de coleccionista

 

 

En el circuito completo de la fuente de alimentación con el vibrador de la figura 17 contamos con los componentes utilizados en la sustentación de los ruidos, en el caso de capacitores de mica e inductores. En la actualidad, en la recuperación se pueden utilizar capacitadores cerámicos.

 

Figura 17 – Fuente completa con vibrador de una edición 1953 del manual de Teletron.
Figura 17 – Fuente completa con vibrador de una edición 1953 del manual de Teletron.

 

 

Los circuitos similares a esto se pueden encontrar en el antiguos equipos de uso móvil donde hay una necesidad de altas tensiones para las válvulas u otros dispositivos.

 

Es evidente que los lectores con habilidad, que desean sustituir el vibrador por un moderno inversor de circuito electrónico, existen esta posibilidad que se muestra en la figura 18.

 

Figura 18 – Inversor electrónico que sustituye a la moto vibradores
Figura 18 – Inversor electrónico que sustituye a la moto vibradores

 

 

En este circuito los transistores deben estar equipados con disipadores de calor.

El transistor tiene una bobina de 6 V o 12 V con 800 mA a 1 A de bobinado primario de corriente y alto tensión de 110 V o 220 V.

P1 debe ajustarse para obtener el mejor rendimiento.

En la figura 19 radios de radios antiguos que utilizan vibradores.

 

Figura 19 – Radios en coche ha existido desde 1922. En la foto dos curiosos modelos antiguos obtenidos en Internet utilizando válvulas y vibradores.
Figura 19 – Radios en coche ha existido desde 1922. En la foto dos curiosos modelos antiguos obtenidos en Internet utilizando válvulas y vibradores.

 

 

 

Porque las válvulas queman

Las válvulas, utilizadas en equipos antiguos, así como bombillas incandescentes, utilizan un filamento de tungsteno que, cuando es recorrido por una corriente eléctrica, se calienta.

En las válvulas el propósito del filamento es emitir electrones funcionando como un cátodo o bien calentando un segundo electrodo, llamado cátodo que, siendo recubierto por sustancias alcalinas, emite electrones con facilidad.

En las lámparas, el filamento se usa para producir la luz.

Cuando el filamento de tungsteno de una lámpara o de una válvula está frío, tiene resistencia muy baja, que significa que cuando es conectado la corriente inicial es muy alta.

De hecho, esta corriente inicial puede ser hasta 8 veces mayor que la corriente normal del dispositivo, después de calentarse.

Una lámpara de 150 mA cuando está conectada puede ser recorrida por una corriente inicial de más de 1 A.

Si el filamento es con algún problema de desgaste mecánico o incluso con su espesor reducido por la evaporación gradual, en el momento en que se enciende puede ocurrir la ruptura, es decir, la quema.

Así, las válvulas (y las lámparas incandescentes) se queman por dos razones:

 

a) Por el desgaste mecánico que debilita el filamento, especialmente en los puntos donde está conectado con los electrodos. El momento en que la corriente se establece que quema.

b) Por el desgaste gradual que ocurre puesto que, con el tiempo, el filamento de trabajo caliente se evaporará y por lo tanto su grueso reducido. En este caso, la quema puede ocurrir en el momento en que se establece la corriente o el dispositivo está encendido.

 

No contamos en este caso el ardor que se produce por oxidación, cuando por alguna razón entra aire en la válvula o lámpara.

En la figura 20 a continuación mostramos cómo probar el filamento de una válvula con el multímetro.

 

   Figura 20 – Probando la continuidad del filamento de una válvula con el multímetro
Figura 20 – Probando la continuidad del filamento de una válvula con el multímetro

 

 

Tubos Nixie

Encontrado en el equipo Industrial, control (ascensores e instrumentos) antiguo, estos indicadores no son exactamente componentes de potencia, pero no están lejos de él, ya que operan con algo de corrientes intensas y altas tensiones.

Los tubos Nixie son componentes que contienen visualizadores numéricos o alfanuméricos.

Están formados por electrodos metálicos en un tubo que contiene gas (neón).

Cuando están excitados, los electrodos correspondientes se iluminan para que el símbolo correspondiente sea visible.

En la figura 21 se muestra la construcción de uno de estos tubos.

 

Figura 21 – Construcción de un tubo de Nixie
Figura 21 – Construcción de un tubo de Nixie

 

 

Para los ánodos el tubo requiere una tensión del orden de 180 V, con un consumo de 2 mA por tubo.

En aplicaciones prácticas, alimentadas por baja tensión, se utiliza un pequeño inversor para obtener esta tensión.

 

Multímetro para circuitos de potencia - Padrones y Normas internacionales de seguridad

Los profesionales del mantenimiento Electrónico, reparación, y los mismos diseñadores aficionados, eventualmente se pueden exponer a las tensiones peligrosas al analizar los circuitos de potencia conectados a la red eléctrica.

La medida simple de una tensión en un equipo que funciona en una red eléctrica monofásica o trifásica puede significar poner en peligro su seguridad si no se utilizan los instrumentos apropiados.

Los multímetros profesionales actuales deben cumplir con las normas internacionales de seguridad que el lector, si es un profesional de mantenimiento, o el trabajo con tales instrumentos debe observar en el momento de la compra.

Este Artículo que trataremos de estas normas que están directamente vinculadas a las mediciones en circuitos que utilizan los semiconductores de potencia estudiados aquí.

Las líneas de transmisión de energía eléctrica están sujetas a diversos tipos de problemas que pueden afectar a la seguridad de aquellos que analizan con un multímetro un equipo conectado a él, o incluso comprobar las tensiones en un local, comercial o Industrial.

Los transitorios de alta tensión pueden alcanzar altas intensidades, capaces de causar arcos en los circuitos de los multímetros, logrando así a los operadores con el riesgo de accidentes serios.

Fue sólo la presencia de transitorios de todas las intensidades posibles en las líneas de transmisión de energía lo que llevó a la necesidad de adoptar medidas especiales de seguridad en las especificaciones de los multímetros que deberían utilizarse en la medida de las tensiones en estas líneas.

Compruebe que esto es válido tanto para el usuario que mide directamente las tensiones en una línea de transmisión de energía, como el electricista de mantenimiento, así como para el profesional de servicio que necesita medir la tensión en una fuente no aislada de la red de un televisor, monitor de video u otro equipo.

Por lo tanto, no es justo que los equipos de prueba tengan recursos de protección para las personas que trabajan en el entorno de alta tensión y de alta corriente que representan sistemas de distribución de energía o que son alimentados directamente por la red eléctrica.

 

Las Normas

Con el fin de proteger a los usuarios de los multímetros, se establecieron normas para su construcción.

Estas normas tienen en cuenta principalmente la seguridad del operador, fijando las tensiones que pueden aislar, si se producen transitorios en una línea analizada.

El primer estándar de seguridad para tales instrumentos fue desarrollado por IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) para instrumentos de medición, control, y uso general en 1988, en lugar de una vieja norma llamada IEC - 348, que contiene Una visión más amplia.

El patrón fue nombrado IEC10101 que comenzó a servir como la base para tres nuevos estándares:

ANSI/ISA-S 82.01-94-Estados Unidos

CAN C22.2 no 1010.2-92 – Canadá

EN61010-1:1993 - Europa

 

Para entender lo bien que estas normas de trabajo que se iniciará en comparación con IEC-1010-1 con IEC 348

 

Diferencias entre IEC-1010-1 y IEC 348

Las categorías específicas IEC 1010-1 de sobretensiones basadas en la distancia a la que se encuentra la fuente de energía, como se muestra en la figura 22, y la amortiguación natural de la energía de un transitorio que ocurre en el sistema.

Cuanto más alta es la categoría, más cerca está la fuente de energía y, por eso, debe ser el grado de protección que el instrumento utilizado en este punto del circuito debe ser proporcionado.

 

Figura 22 – Las categorías de una instalación común
Figura 22 – Las categorías de una instalación común

 

 

Esto permite establecer entonces cuatro categorías de instrumentos que pueden ser utilizados al punto máximo de un circuito en el cual su categoría alcanza.

 

Categoría IV

Los multímetros de esta categoría se denominan de nivel primario de potencia, siendo asignados al trabajo en el sistema de distribución. Sus especificaciones deben estar más allá de las requeridas por IEC 1010-1.

Estos multímetros están diseñados para funcionar en instalaciones externas, subterráneas, paneles de distribución, etc.

Son los multímetros que analizan directamente las redes de energía que se, Así, Los que trabajan en los puntos más peligrosos donde los transitorios pueden tener mayor intensidad, teniendo un mayor nivel de protección.

 

Categoría III

Llamado nivel de distribución, se especifican para trabajar con el tensión de las tomas de corriente o circuitos domésticos o comerciales.

Los multímetros de la categoría III son diferentes de los utilizados en el servicio de sistema de distribución primaria, que operan a lo sumo en lo que respecta al transistor de aislamiento.

Los multímetros de esta categoría se pueden utilizar en los sistemas de iluminación y la distribución de grandes edificios también.

Vea que ya es un instrumento con un menor grado de protección, ya que los puntos de los circuitos en los que se van a utilizar ya no están sujetos a los niveles transitorios de los tipos de categoría IV.

 

Categoría II

Son los multímetros indicados para aplicaciones locales, tales como tomacorrientes que alimentan electrodomésticos, equipos electrónicos de bajo y medio consumo y en el análisis de circuitos de equipos portátiles, etc.

Este es el multímetro recomendado para el profesional de servicio que trabaja con equipos conectados a una toma de corriente en un banco.

El profesional del servicio no debe utilizarlo, sin embargo, para analizar una instalación eléctrica de un edificio o para medir tensiones en un marco de distribución de energía.

 

Categoría I

Son los multímetros utilizados para trabajar con señales, por ejemplo, en telecomunicaciones.

Estos multímetros son los que tienen el menor grado de protección de todos, ya que no están destinados a aplicaciones conectadas a la red de energía.

Con ellos se analizan los circuitos de baja tensión aislados de la red eléctrica.

El profesional de mantenimiento puede utilizar un multímetro de esta categoría para analizar una radio con transistores, un equipo de sonido que tiene transistor de aislamiento, un equipo de telecomunicaciones, pero no debe tomar acción en una toma de corriente o una red eléctrica.

Por supuesto, un multímetro de mayor grado se puede utilizar en aplicaciones de categoría inferior, pero no al revés.

 

Las Tensiones máximas

Dentro de cada categoría hay trabajos que limitan el estrés que determinan el transitorio máximo que el instrumento puede soportar.

La tabla siguiente da la forma en que los instrumentos son probados:

Cat II 600 V transitorio de 4 000 V pico fuente de 12 ohm
Cat II 1000 V Transitorio de 6 000 V pico fuente de 12 ohm
Cat III 600 V transitorio de 6 000 V pico fuente de 2 ohm
Cat III 1000 V transitorio de 8 000 V pico fuente de 2 ohm
Cat IV 600 V transitorio de 8 000 V pico fuente de 2 ohm
Cat IV 1000 V transitorio de 12 000 V pico fuente de 2 ohm

 

Tenga en cuenta que, por esta tabla, un multímetro de categoría II, en la escala de 600 V debe ser capaz de soportar transitorios de 4 000 V de pico.

Por lo que hemos visto, que básicamente determina qué categoría debe pertenecer al multímetro que un profesional va a utilizar es el grado de proximidad del centro de distribución y las intensidades de corriente y tensión involucradas.

Cuando el lector está adquiriendo un multímetro para uso profesional debe ser consciente de la categoría a la que pertenece. Muchos multímetros de bajo costo incluso indica a qué categoría pertenece.

El lector puede utilizarlos en trabajos menos peligrosos como el análisis de circuitos alimentados con pila y baterías en un banco de trabajo, pero si su obra implica medidas sobre equipos conectados a la red eléctrica o en la propia corriente de energía, tenga cuidado: es su seguridad que es en juego.

Por lo tanto, debe ser muy cuidadoso con la elección del instrumento, ya que tienen las protecciones necesarias para que los transitorios que puedan ocurrir en estos sistemas no provoquen accidentes con los operadores.

Un multímetro de categoría I, diseñado para trabajar con señales o un multímetro de categoría II, diseñado para trabajar en el análisis de redes domésticas y salidas de alimentación de aparatos comunes, nunca debe utilizarse en el trabajo de análisis de equipo de una industria o un centro de suministro de alta potencia.

Note bien qué categoría pertenece al multímetro digital que va a comprar si se pretende a su uso profesional.

 

 

 

 

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