A grandes rasgos, el control del voltaje efectivo que llega a una carga puede ser controlado al regular el tiempo que ésta se encuentra conectada a la fuente de alimentación, tal como se muestra en la figura 2.

El elemento semiconductor representado por el switch puede variar dependiendo del tipo de control, por lo que se seguirá manteniendo esta representación a lo largo del tema.

Este tema se enfocará en aquellos que emplean un control por ángulo bidireccional (en cada semiciclo), ya que permiten un control de conducción más sencillo y se eliminan problemas de corriente directa en la entrada, entre otros.

El control por ángulo de fase se distingue por bloquear la conducción durante un periodo a al inicio de cada semiciclo, el voltaje que se presentaría en la carga se muestra en figura 3.

Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

De esta manera se controla el voltaje que se presentaría en la carga, el cual puede ser descrito por la ecuación según Muhammad Rashid (2004).

Donde Vs es el voltaje efectivo de entrada y el valor de α se maneja en radianes. Como se observa, esta definición se obtuvo con la ecuación del voltaje efectivo, pero cambiando los límites de integración. Hay que comentar que como se pueden estar manejando muy altos voltajes, las caídas de los semiconductores son despreciables.

A continuación se desarrollará un ejemplo con el análisis fundamental en este tipo de controladores.

En la figura 4 puedes ver una configuración para un control bidireccional, esto porque en el semiciclo positivo conducirá el tiristor inferior mientras que el superior lo hará en el negativo. Este será el circuito a analizar, del cual se obtendrá el voltaje y corriente efectiva sobre la carga, potencia disipada y corriente en cada tiristor.

De acuerdo a la ecuación antes mencionada, se tiene que:

Su corriente puede ser obtenida como:

Y su potencia disipada:

Dado que la corriente circula por cada tiristor en un sólo sentido, ésta tendrá una componente directa u un valor efectivo, el resultado de los mismos se despliega a continuación.

Te invito a comprobar estos dos últimos resultados.

Como se vio en el ejemplo, este control puede ser correctamente analizado de esta forma para cargas resistivas como focos y resistencias calefactoras, pues la corriente presenta un comportamiento como el que se vio en la figura 3. Sin embargo, al utilizar elementos más comunes como en el caso de motores, la alta inductancia que presentan provoca que la corriente que se mantiene en la carga permita la conducción aun y cuando cambia de ciclo, de manera que continúa hasta que ésta se descargue. Este efecto se observa a grandes rasgos en la figura 5.

Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

Este tipo de cargas presentan también un voltaje inducido, pero el valor de éste depende de la velocidad de giro, por lo que no siempre llega a tener un valor de cero. El análisis del efecto inductivo de este tipo de cargas presenta ecuaciones extensas donde se toman en cuenta los valores de resistencia y la inductancia.

Este tipo de control es regularmente implementado utilizando tiristores como elementos de conmutación que controlan la conducción hacia la carga, existen diferentes configuraciones en las que varía su utilización y su uso en conjunto con diodos o transistores.

Una solución al problema presente en el control por ángulo fase es que en lugar de retirar un segmento al inicio del semiciclo, éste se elimine al final del mismo. De tal modo, aunque no se corte totalmente el voltaje, se puede evitar que circule corriente en el sentido contrario. A este nuevo segmento o ángulo se le conoce como β, complementando al de fase.

No es método tan utilizado y aquí sólo se menciona de manera informativa, ya que da paso a un mejor control de voltaje como el control por ángulo simétrico.

Otra manera de solucionar el problema de cargas inductivas, es implementando la unión del control por ángulo de fase y de ángulo de extinción, de esta manera se tienen dos ángulos de control simétricos entre sí, por lo que pueden mantener el mismo nombre α. Aunque se utilicen cargas inductivas, el voltaje se mantendrá lo más posible en el semiciclo correspondiente.

Otra ventaja que presenta este método, es que la corriente se encuentra en fase (o en un menor desfase) en comparación con la corriente producida por el control de fase en cargas inductivas, por lo que se puede mejorar el factor de potencia de desplazamiento (el concerniente al desfase de fundamentales de voltaje y corriente).

El control en el caso trifásico no presenta mucha diferencia al que se describió aquí, ya que maneja las mismas técnicas de control para disminuir el valor efectivo, sólo que se aplica en cada fase, ya sea en la línea o en la conexión directa a la carga.

Los convertidores de corriente alterna permiten variar el voltaje que recibe una carga sin tener que pasar por otras etapas de conversión. En baja potencia estos convertidores son comúnmente utilizados en equipos domésticos, como licuadoras o calentadores eléctricos controlables; mientras que en alta potencia se usan en control de alumbrado, calefacción y control de motores.

Revisa a continuación el Checkpoint: