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Escuela Politécnica del Ejército
Exposición sobre Tiristores y Transistores
(Elementos de Potencia)
Integrantes: Bryan Ortega
Javier Quinchimba
Cristian Revelo
David Revelo
Sergio Quisilema
Tiristores
Un tiristor es un dispositivo semiconductor muy utilizado en el campo
de la Electrónica de potencia y se los utiliza de diversas maneras.
Entre sus principales aplicaciones tenemos que funcionan como
conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a otro
conductor.
Para muchas de aplicaciones al tiristor se lo considera como un
interruptor o conmutador ideal aunque los tiristores prácticos exhiben
ciertas limitaciones acorde a sus características que serán analizadas.
Características de los Tiristores
Como ya se lo dijo anteriormente, el tiristor es un dispositivo
semiconductor de 4 capas de estructura pnpn con tres uniones pn,
esta compuesto por tres terminales:
Ánodo
Cátodo
Compuerta (G)
Circuito del Tiristor y sus
Características Voltaje – Corriente
IL: Corriente de Enganche o de retención: es la corriente mínima que debe circular
por el tiristor para que el mismo se pueda mantener en estado de conducción una
vez que se lo haya activado y se haya retirado al señal de disparo
IH: Corriente de Mantenimiento: es la corriente mínima para mantener al tiristor en
estado de régimen permanente (esta en el orden de los mA.).
IT: Corriente en estado de Conducción: Esta corriente es mayor a las anteriores.
VBO: Voltaje de ruptura inversa: un tiristor también puede activarse aumentando el
voltaje de VAK de más allá de VBO, pero al hacerlo de esta forma, se puede llegar a
dañar al tiristor.
El tiristor es un dispositivo de enganche por lo que el VAK debe ser menor al VBO
Características Estáticas: Estas características corresponden a la
región entre el ánodo y el cátodo y son valores máximos de voltaje y
corriente que colocan al elemento en el límite de sus posibilidades. Son
valores que vienen dados por el fabricante y varían entre cada tiristor.
Características de Control: Estás características determinan la
naturaleza del circuito de control que responde a las condiciones de
disparo. Para la región G – K(cátodo) los fabricantes definen diferentes
valores máximos de corriente y de voltaje para los cuales en condiciones
normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse
de manera no deseada.
Características de Conmutación
Los tiristores necesitan de un tiempo necesario para cambiar de estado
y pasar de no conductores a estado de conducción y viceversa.
El tiempo de encendido TON es el tiempo de encendido y se lo divide en
dos partes:
Td: tiempo de retardo.
Tr: tiempo de subida.
Activación de un Tiristor
Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a
cabo de las siguientes maneras:
Térmica. Si la temperatura de un tiristor es alta, habrá un aumento en el número
de pares electrón-hueco que generará un aumento en la corriente de fuga.
Lumínica. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran
los pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor.
Alto Voltaje. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de
ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una
activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo
que se debe evitar.
Apagado de un tiristor
El apagado de un tiristor se produce generalmente por dos motivos:
Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de
mantenimiento o por la anulación total de la corriente del ánodo.
Parámetros que influyen sobre el tiempo de apagado TOFF
Corriente en conducción (IT)
Tensión inversa
Velocidad de caída de la corriente en el ánodo
Pendiente de tensión dV/dt
Temperatura de la unión Tj o del contenedor Tc
Consejos para el diseño de un circuito con tiristores
La señal de disparo debe eliminarse una vez que haya activado al tiristor.
Una señal continua de disparo aumentaría la pérdida de potencia en la
unión de el terminal de disparo (G).
Mientras el tiristor esté con polarización inversa, no debe haber señal de
disparo, de lo contrario el tiristor puede fallar debido a una corriente de fuga
incrementada.
El ancho de pulso del terminal de disparo IG debe ser mayor que el tiempo
requerido para que la corriente del ánodo se eleve al valor de la corriente de
mantenimiento.
Operaciones de los tiristores en Serie
Para aplicaciones de alto voltaje, se pueden conectar 2 o más tiristores en
serie a fin de proporcionar la especificación de voltaje sin embargo hay q
tener en cuenta que de un tiristor a otro no siempre sus características son
iguales.
Operaciones de los tiristores en Paralelo
Cuando los tiristores se conectan en paralelo la corriente de carga no se
comparte en igual forma debido a que un tiristor conduce mas corriente
que otros y aumenta la disipación de potencia, para contrarrestar este
problema, se coloca una pequeña resistencia en serie con el tiristor para
obligar una igual distribución de corriente.
Tipos de Tiristores
Los tiristores se fabrican casi en su totalidad por difusión. La corriente
del ánodo requiere un tiempo para propagarse por toda el área de la
unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal
de disparo. Para controlar este di/dt, el tiempo de activación del
tiristor y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varios
tipos de tiristores que varían en su estructura de compuerta.
Tipos de Tiristores
Tiristor conmutado por línea o fase (SCR)
Rectificador controlado de silicio foto activado (LASCR)
Tipos de Tiristores
Tiristor o tríodo bidireccional (TRIAC)
Tiristor desactivado por Gate – Señal de disparo (GTO)
Tiristores controlados por MOS (MCT)
Tiristores conmutados por compuerta integrada (IGCT)
(Silicon Controlled Rectifier) Actúa de manera muy similar a un interruptor. Cuando esta conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de energía de ánodo a cátodo; por consiguiente actúa como un interruptor cerrado. Cuando esta bloqueado, no puede fluir corriente de ánodo a cátodo; es decir actúa como un interruptor abierto, debido a que es un dispositivo de estado solido, la conmutación de un SCR es muy rápida.
TIPOS DE TIRISTORES.- TIRISTORES TRIAC:
CIRCUITOS DE DISPARO Y CURVA CARACTERÍSTICA:
PARAMETROS ELECTRICOS DEL SCR-VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)- IF: Máxima corriente directa permitida.- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.
APLICACIONES REALES:En la Figura 8 se muestra un circuito de control de fase de 1/2 onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 Vac. RL representa la resistencia de la carga (calefactor o filamento de una lámpara). R1 es una resistencia limitadora de la corriente; R2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR.
Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), [Figura 8 (a)], conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima potencia a la carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 8 (b), el SCR conduce durante aproximadamente 90º y se transmite menos potencia a la carga.
El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR.
Es un dispositivo electrónico semiconductor de tres terminales, de ahí que se le conozca como un tiristor y se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una sola carga, con la particular capacidad de dirigir la corriente en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir de la corriente debajo del valor de mantenimiento, el triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.
TIRISTORES TRIAC:
ESTRUCTURA INTERNA Y CURVA
CARÁCTERISTICA:
El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.
PARAMETROS ELECTRICOS DEL TRIACVDRM (Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo) = es el máximo valor de tensión admitido de tensión inversa, sin que el triac se dañe.IT(RMS) ( Corriente en estado de conducción)ITSM (Corriente pico de alterna en estado de conducción (ON)) = es la corriente pico máxima que puede pasar a través del triac, en estado de conducción..I2t ( Corriente de fusión).- Valor de corriente de daño del TRIAC.PGM ( Potencia pico de disipación de compuerta).IH ( Corriente de mantenimiento) = la corriente directa por debajo de la cual el triac volverá del estado de conducción al estado de bloqueo.dV/dt ( velocidad critica de crecimiento de tensión en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento máximo permitido de la tensión en el ánodo antes de que el triac pase al estado de conducción. Se da a una temperatura de 100C y se mide en V/m s.tON ( tiempo de encendido)
APLICACIONES REALES:
Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).
Donde:- Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.) - L: lámpara- P: potenciómetro - C: condensador (capacitor)- R: Resistor - T: Triac- A2: Ánodo 2 del Triac - A3: Ánodo 3 del Triac- G: Gate, puerta o compuerta del Triac
El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula).
Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH. Su principal ventaja es que la puerta evita el paso de corriente (se cierra) cuando circula por ella un V- (semiciclo -)
TIRISTORES GTO:
CARACTERÍSTICAS, CIRCUITO EQUIVALENTE Y CURVA ESTÁTICA:
El disparo se realiza mediante una VGK >0; bloqueo con una VGK < 0.
La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.
La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.
El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.
CURVA CORRIENTE REAL Y CIRCUITO DE EXCITACIÓN.
APLICACIONES REALES:
Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a nivel industrial algunos usos son:
Troceadores y convertidores; Control de motores asíncronos; Inversores; Caldeo inductivo; Rectificadores; Soldadura al arco; Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI); Control de motores; Tracción eléctrica.
Transistores
TRANSISTORESEl funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los
transistores normales, la diferencia radica en las altas tensiones e intensidades que
tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.
Tipos de transistores de potencia:
BJT.
SIT ( Transistor de inducción estática)
MOSFET
IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislado)
Regiones operativas de componentes
Transistor de efecto de campo de Potencia (MOSFET)
D D
S SG G
Canal N Canal P
D
S
G
ID
VDS
VGS
N N
P
Substrato(Substrate)
Puerta(Gate)Drenador
(Drain)
Fuente(Source)
TRANSISTOR MOSFET - canal N Aislante (Si O2)
Características
Son controlados por voltaje If se aproxima a cero
Tiempos de encendido y Apagado pequeños
Son térmicamente estables
Tienen un Vds alto (Vce) (2 a 4V) por lo que las pérdidas estáticas aumentan
Tienen problemas con descargas electrostáticas
Son de costo alto, sirven para trabajo a alta frecuencia y media potencia
Uso como interruptores controlados por tensión.
Impedancia de entrada elevada
Características El Mosfet no tiene portadores minoritarios, la conducción se hace con
portadores mayoritarios, hace que las conmutaciones se produzcan en
tiempos muy cortos
Típico:
Toff = 100ns
Ton = 50ns
Circuitos de disparo simples
Habilidad para el paralelaje
Protecciones
Igual que el BJT
Cuida que VGS no exceda el voltaje, normalmente esta entre 20V – 30V
Diodos en antiparalelo asociados
17.2 Características estáticas.• Cuando VGS es menor que el valor umbral, VGS,TH, el MOSFET está abierto (en corte). Un valor típico de VGS,TH es 3V.
• VGS suele tener un límite de ±20V.
• Cuando VGS es mayor de 7V el dispositivo está cerrado. Suele proporcionarse entre 12 y 15 V para minimizar la caída de tensión VDS.
• Cuando conduce se comporta, estáticamente, como una resistencia: RON.
• En un MOSFET de potencia suele ser más limitante RON que el máximo de corriente.
• Conociendo RON las pérdidas se pueden calcular con el valor eficaz de la corriente al cuadrado.
2DON IRP
VDS
ID VGS=15V
VGS=12V
VGS=7V
VGSVGS,TH
Corte
Cerrado
ID,MAX
VDS,MAX
Avalancha
PMAX
SOAR
Control del MOSFET
Un voltaje positivo aplicado a la compuerta genera un campo
eléctrico que convierte la región p en una región n.
Este fenómeno se conoce como inversión de superficie y
permite la circulación de corriente entre el drain y el source
Características
RDS= Resistencia de salida D-S
RDS= DVDS /Dio
Es alta en la región de estrechamiento (MW)y baja en la región lineal (m )W
APLICACIONES
Las aplicaciones más típicas de los Transistores de
Potencia Mosfet se encuentran en la conmutación a
altas frecuencias.
- Sistemas inversores para controlar motores.
- Generadores de altas frecuencias para inducción de
calor
- Generadores de ultrasonido
- Amplificadores de Audio
- Transmisores de radiofrecuencia.
VENTAJAS La velocidad de conmutación para los Mosfet está en el
orden de los nanosegundos, por esto los Mosfet son muy
utilizados en convertidores de pequeña potencia y alta
frecuencia.
Los Mosfet no tienen el problema de segunda ruptura.
Mayor área de funcionamiento
Mayores ganancias
Circuito de mando más simple
Alta impedancia de entrada
DESVENTAJAS
Los Mosfet tienen el problema de ser muy sensibles a las
descargas electrostáticas y requieren un embalaje especial.
Es relativamente difícil su protección.
Los Mosfet son más caros que sus equivalentes bipolares.
La resistencia estática entre drenador-surtidor, es más grande,
lo que provoca mayores perdidas de potencia cuando trabaja
en conmutación.
17.6. Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes.
17.6. Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes.
17.6. Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes.
17.6. Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes.
IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislada)
• Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET
• La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente
G
C
E
BipolarMOSFET
• Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)
• Facilidad de manejo (MOSFET)
• Menor capacidad de conmutación (Bipolar)
IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislada)
TRANSISTOR IGBT
Es el dispositivo más adecuado para tensiones > 1000 V
El MOSFET es el mejor por debajo de 250 V
En los valores intermedios depende de la aplicación, de la frecuencia, etc.
El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:
• Bajo ciclo de trabajo
• Baja frecuencia (< 20 kHz)
• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
• Alta potencia (>5 kW)
Aplicaciones típicas del IGBT
• Control de motores
• Sistemas de alimentación ininterrumpida
• Sistemas de soldadura
• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia
Características
Combina las ventajas del BJT y el MOSFET
Alta impedancia de entrada y bajas pérdidas en conducción
No tiene problemas de segunda avalancha
Controlado por voltaje
Ton y Toff pequeños
Control
Encendido y apagado similar al Mosfet, es decir durante el encendido
se aplica un voltaje positivo a la compuerta lo que provoca una
inversión en la capa n y la conducción entre c-e+
Para apagar se manda a cero el Gate o se aplica un voltaje negativo
Ventajas y Desventajas
Capacidad alta de corriente (mayor al Mosfet y BJT)
Fácil manejo, similar al mosfet
Excelente capacidad de bloqueo
Frecuencia de operación menor a la de un MOSFET
Comparación
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes
El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo electrónico de
tres terminales, construido mediante dos junturas de
semiconductores tipo P y N. La relación entre Tensión y Corriente
del puerto de salida (colector-emisor) varía según la intensidad de
corriente que circula por el puerto de entrada (base-emisor).
Transistores BJT
Hay dos clases de transistores BJT, los NPN y los PNP, el nombre se
refiere al tipo de material semiconductor utilizado en cada parte,
Colector-Base-Emisor respectivamente.
Símbolos de Circuito
Para obtener condiciones normales de operación las junturas deben estar polarizadas:
* base-emisor con polarización directa (en un NPN, Vbase > Vemisor)
* base-colector con polarización inversa (en un NPN, Vbase < Vcolector )
Además (por ley de Kirchoff de corrientes) se verifica que : Ie = Ib + Ic
Condiciones de Operación
Activa: Esta región de operación se considera de
corriente constante, se cumple aproximadamente la relación : Ic
= hFE . Ib (En la cual hFE es la ganancia de corriente continua y
depende de la construcción del transistor.)
En el transistor BJT se reconocen 3 regiones de operación
Aunque en la práctica Ic varía levemente para diferentes valores de
Vce, para esta región se puede pensar que: la corriente Ic es una
versión amplificada de la corriente Ib.
Saturación: Si Vce es demasiado pequeño, Ic ya no es
proporcional a Ib, es decir, aunque Ib aumente, Ic no sigue ese
crecimiento Ic < hFE . Ib La tensión Vce permanece prácticamente
constante en un valor llamado Vsat.
Corte: Cuando Ib es muy pequeña o nula, implicará además
Ic = 0. Lo que equivale a decir que no hay conducción entre colector
y emisor. En esta región se puede pensar que: entre colector y
emisor, el transistor trabaja “como una llave abierta”.
En la gráfica se ven varias curvas de Ic para diferentes corrientes Ib.
El punto de trabajo concreto dependerá del circuito externo.
Características Ideal V-I (tensión-corriente)
Lo primero que hay que analizar es la Ib. Si la tensión en la juntura
Vbe no supera la mínima Vγ (en general del orden de 0.7v),
entonces Ib = 0, y el transistor estará en corte.
Si ese no es el caso, se conjetura que está trabajando en Zona lineal
Ic = hFE . Ib , si luego del cálculo se encuentran resultados
erróneos o inconsistentes con los valores del circuito, sabremos que
el transistor se encuentra en región de saturación.
En este último caso debemos realizar los cálculos manteniendo
Vce=Vsat.
Determinación de la región de operación
Debido a que hay circulación de corriente entre dos puntos que
tienen una diferencia de potencial (Ic con Vce y Ib con Vbe) el
transistor disipa potencia, la cual provoca un aumento de
temperatura, que puede llegar a fundir o quemar al transistor.
En general los transistores especifican cual es la potencia máxima
que pueden disipar Pmax, que no debe superarse, calculando P
= Vce . Ic, siempre debe ser P < Pmax.
Potencia admitida
Tipos de Transistores BJT de Potencia
Los transistores BJT se comercializan mediante nombres
codificados, por ejemplo BC548, BC557, 2N3055, etc. Tienen
diferencias constructivas que definen las características eléctricas
tales como los valores máximos soportados de potencia, tensión,
la ganancia de corriente, variación con la temperatura, etc.
Ejemplo 2N3055 Datasheet:
Dispositivos comerciales
SIT
El SIT es el FET de electrónica de potencia y su aplicación se reserva para altas frecuencias.
Símbolo:
Características: Real
Ideal
Tipos de Transistores SIT de Potencia
Son dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. Son
similares a los JFET, excepto por su construcción vertical y su
compuerta enterrada.
Se los utiliza en amplificadores de potencia lineal en
audio, DHF, UHF y microondas. No se los utiliza como conmutador
por la alta caída de tensión en sus terminales.
Aplicaciones
BIBLIOGRAFÍA
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http://www.unicrom.com/Tut_triac.asp
http://woody.us.es/~leopoldo/Store/tsp_7.pdf
http://ccpot.galeon.com/enlaces1737123.html
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