Electrnica de Potencia

Electrnica de Potencia1.- DATOS DE LA ASIGNATURA

Nombre de la asignatura:Electrnica de Potencia

Carrera:Ingeniera Electrnica

Clave de la asignatura:ECM-0415

Horas teora-horas prctica-crditos328

3.- UBICACIN DE LA ASIGNATURAa). Relacin con otras asignaturas del plan de estudioAnterioresPosteriores

AsignaturasTemasAsignaturasTemas

Optoelectrnica

Electrnica

Analgica I

Circuitos Elctricos II

Microprocesadores y

microcontroladores-Optoacopladores

- Rectificacin,

Circuitos con

diodos y circuitos

de polarizacin de

Transistores

- Circuitos delta y

estrella

-microcontroladoresA criterio de la

Especialidad de

cada

Tecnolgico

b). Aportacin de la asignatura al perfil del egresado

Seleccionar, instalar y operar sistemas y equipos electrnicos de potencia.

4.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO

El estudiante analizar los circuitos electrnicos de potencia y disear circuitos de disparo.

5.- TEMARIO

UnidadTemasSubtemas

1Introduccin a la

Electrnica de Potencia y

dispositivos de disparo1.1 Antecedentes Histricos

1.2 Terminologa

1.3 UJT, PUT, DIAC, SCR, TRIAC, SUS,

SBS, LASCR, GTO, SCS, IGBT,

Mosfet de potencia.

2Circuitos de disparo2.1 Circuitos de disparo sin aislamiento:

Redes pasivas, RC

2.2 Circuitos de disparo con aislamiento

2.2.1 Acoplados ptimamente

2.2.2 Acoplados magnticamente

2.3 Circuitos de disparo con dispositivos

digitales

2.3.1 Timer

2.3.2 Divisores de Frecuencia y

detectores de cruce por cero

(comparadores)

Microcontroladores

2.3.3 Modulador de Ancho de Pulso

(PWM)

UnidadTemasSubtemas

3Rectificacin no controlada y controlada3.1 Conceptos Bsicos de rectificacin

3.1.1 No controlada y controlada

3.2 Tipos de rectificadores:

3.2.1 No controlados, monofsicos y

trifsicos

3.2.2 Controlados, monofsicos y

trifsicos (Media onda y onda

completa)

4Troceadores4.1 Troceador por modulacin de ancho

de pulso (PWM)

4.2 Configuraciones bsicas

4.2.1 Reductor

4.2.2 Elevador

4.2.3 Reductor elevador

4.2.4 Flyback

5Inversores (CD/AC) y Cicloconvertidores (AC/AC)5.1 Inversores y Cicloconvertidores por

modulacin de ancho de pulso

5.2 Inversores monofsicos y trifsicos

PWM senoidal

Unidad 1Introduccin a la Electrnica de Potencia y dispositivos de disparo

1.1 Antecedentes Histricos

En la actualidad, la palabra electrnica est directamente asociada con las computadoras, televisores, telfonos celulares, etc. En realidad para hablar de electrnica es necesario recordar que dicha rama de la ingeniera sienta sus bases en la teora del electromagnetismo y los circuitos elctricos. Por lo tanto desde B. Franklin (1706-1790) hasta B. D. H. Tellegen cuando en 1952 public su teorema, contribuyeron en alguna medida.

Pero el inicio del desarrollo especifico de la electrnica aparece en 1883 cuando T. A. Edison descubre la emisin termoinica o efecto Edison. Sin embargo, la gestacin de la misma se produce en 1904 cuando Sir J. A. Fleming propone el diodo o vlvula de Fleming. Finalmente, nace e inicia el recorrido de un largo camino dos aos ms tarde, cuando en 1906 L. De Forest propone el triodo o Audion, como l lo llamaba.

Diferentes son las importantes contribuciones que la electrnica termoinica propuso en su desarrollo en el transcurso de los aos. Muchas de esas aplicaciones existen en el presente, con las obvias actualizaciones tecnolgicas, como por ejemplo: la telefona inalmbrica, la radio, la televisin (1927), etc. Quizs la contribucin menos conocida por los jvenes sea la computadora Mark 1, desarrollada en 1944 por la IBM y la Universidad de Harvard. Esta computadora fue reemplazada en 1947 por una versin mejorada denominada ENIAC, desarrollada por la Universidad de Pennsylvania.

CONTRIBUCIN DE EDISONEn el ao 1883, el inventor estadounidense Thomas Alva Edison (1847-1931) trabajaba en un experimento con lmparas incandescentes en las cuales utilizaba un filamento de carbn. Estos filamentos se rompan con mucha facilidad ya que estaban formados por hilos muy finos. Su objetivo era encontrar un sistema que le permitiera aumentar la vida til de las lmparas. Para lograr esto, Edison construy un soporte metlico que conect al frgil filamento mediante partes Aisladoras.A partir de este hecho surgen diferentes versiones sobre el descubrimiento de la emisin termoinica, que es esencialmente la emisin de electrones por un cuerpo Sobrecalentado, se afirma que: por razones que se desconocen, Edison conect el soporte metlico al terminal positivo de la batera que alimentaba la lmpara, como se muestra en la figura 1. Sorprendido, observ que circulaba corriente.

Otros autores afirman que: el carbn que se desprenda del filamento se depositaba en la superficie interna de la ampolla de vidrio de la lampara ennegrecindola. Por tal razn, Edison decidi generar una absorcin de estas partculas mediante una atraccin electrosttica (polarizacin elctrica), observando que circulaba corriente en modo permanente. Delogneafirma que el descubrimiento fue hecho sin la introduccin de una tensin (batera) en el circuito (ver fig. 1). En la poca de Edison, loscircuitos elctricos funcionaban con el positivo a tirrra (masa), por lo tanto es posible que su intensin haya sido conectar el hilo metlico del soporte a masa.

De todo esto no se logra entender con precisin si Edison comprendi que se trataba de cargas elctricas y que estas eran negativas.

Todo hace suponer que efectivamente logr comprender este hecho bsico, lo que seguramente no comprendi es el origen de tales cargas, cosa que sucedi con posterioridad al 1883, y menos aun que se trataba de electrones. Solo 21 aos ms tarde, Fleming pudo demostrar la importancia aplicativa de esta corriente. A decir verdad una aplicacin importante ya exista y es precedente a Fleming, se trata del tubo de rayos catdicos (TRC) inventado por el fsico alemn K. F. Braun1 (1850-1918) en 1897. Figura 1

CONTRIBUCIN DE FLEMING

En 1889, el ingeniero y fsico ingls Sir John Ambrose Fleming (1849-1945) de la Universidad de Londres, inicia una serie de investigaciones sobre el efecto Edison o emisin termoinica. En 1904, propone el diodo termoinico ovlvula de Fleming. El nombre vlvula surge por la similitud con las vlvulas mecnicas, debido a la propiedad de conducir corriente en un solo sentido. La vlvula de Fleming consista bsicamente de un bulbo de vidrio el cual encerraba un filamento de carbn o tungsteno, con un segundo electrodo formado inicialmente por un hilo metlico arrollado alrededor del filamento sin contacto entre ellos, que haca las veces de placa. Posteriormente, fue reemplazado por un cilindro metlico (fig. 2 (a) y (b)).

El filamento cumpla adems la funcin de ctodo, el cual al calentarse por el paso de una corriente elctrica generaba la nube electrnica debida a la emisin termoinica. El cilindro metlico o placa era accesible desde un lateral del bulbo de vidrio. Contrariamente, el diodo moderno posee dos electrodos separados para las funciones de filamento y ctodo, respectivamente. Esta separacin permite generar circuitos elctricos aislados entre filamento y ctodo, adems es posible mejorar la emisin del ctodo. En la figura 2, se pueden ver detalles constructivos y los correspondientes smbolos.

Fig. 2. (a)Vlvula de Fleming [6], (b)-(c)Detalle constructivo y smbolo de un diodo tipo Fleming. (d)-(e) Detalle constructivo y smbolo del diodo

moderno.

CONTRIBUCIN DE FOREST

En 1906 el ingeniero estadounidense Lee De Forest (1873- 1961) propone y patenta el Audion (posteriormente llamado triodo), una versin modificada del diodo de Fleming, con el agregado de un electrodo de control o grilla (ver fig. 3). Sin embargo, la publicacin del invento tuvo lugar en 1914 por razones de patente. De los contenidos del artculo de De Forest no surge con claridad cuales fueron los motivos que lo llevaron a generar una modificacin del diodo de Fleming. Evidentemente se trataba de una necesidad de control del flujo de electrones al interno del dispositivo, para a su vez lograr un control de la corriente de placa. Probablemente la aplicacin ms lgica sea como interruptor de corriente (relay no mecnico), para ser usado en telegrafa y telefona, campos en los cuales De Forest trabajaba en la poca.

Fig. 3. Circuito del amplificador de De Forest y detalles constructivos de un triodo moderno .Sin duda De Forest conoca al momento de la publicacin, adems de la propiedad detectora, la propiedad amplificadora del dispositivo. Esto surge de manera evidente a partir delttulo de su trabajo . En tal publicacin se muestran aplicaciones de un cierto desarrollo tecnolgico, como por ejemplo amplificadores de dos y tres etapas (ver figura 3). En tal figura se observa adems el tipo de polarizacin bsica usada (comprese con la fig. 4), adems del ctodo y filamento en un nico electrodo.

El Audion de De Forest gener una serie de controversias con Fleming atribuyndose ambos la propiedad intelectual del desarrollo, dado que Fleming sostena que el Audion era un diodo modificado. De un rpido anlisis surge inmediatamente la diferencia ms evidente entre estos dispositivos ya que el triodo (o Audion) posee un electrodo de control, el diodo no. En la figura 4, se muestra el circuito de polarizacin del triodo y la caracterstica de salida.

Fig. 4. Polarizacin de un triodo y caracterstica de salida.

CONTRIBUCIN PARALELA DE LA FSICA

Cuando Edison descubre la emisin termoinica, en 1883, seguramente no tena la mnima nocin de que se trataba de electrones y tampoco que posean masa (por lo menos con certeza cientfica). El nombre electrn le fue dado por el fsico ingles G. J. Stoney (1826-1911) en 1891 y fue descubierto en 1897 por el fsico ingles J. J. Thomson (1856-1940), en un experimento orientado a encontrar la relacin e m del mismo. Para este experimento, Thomson utiliz un tubo de rayos catdicos, que a su vez emplea la emisin termoinica para su funcionamiento.

La determinacin directa del valor de la carga del electrn fue hecha por varios investigadores en diferentes trabajos. Por ejemplo, la determinacin de la carga elemental en forma directa fue hecha por Townsend en 1897, por J. J. Thomson en 1898 y por H. A. Wilson en 1903. Algunos autores atribuyen la medida de e a Ch. T. R. Wilson en 1913. En 1917, R. A. Millikan2 (1868-1953) midi la constante e y el valor obtenido fue 1.59x10-19 coulombs. La carga negativa del electrn fue demostrada por el fsico francs J. B. Perrin (1870-1942). El valor actual de la misma es -1.602x10-19 coulombs y se debe a los experimentos de Hopper y Laby en 1941. En 1901 aparece el primer trabajo que da una descripcin cuantitativa del fenmeno de emisin termoinica y es debida al fsico ingls O. W. Richardson (1879-1959) quien establece una relacin entre la cantidad de electrones emitidos y la temperatura:

en la cual: N es el nmero de electrones emitidos por unidad de superficie; T es la temperatura absoluta; n nmero de electrones libres en el metal; R es la constante del gas para un electrn (constante de oltzman); m es la masa del electrn.

Si los electrones estn animados de una cierta energa cintica, producen una corriente elctrica. La expresin de Richardson que relaciona la corriente (de saturacin) con la temperatura es:

con: carga del electrn; q valor de la superficie emisora (en las ecuaciones se mantiene la simbologa original de la referencia). Esta ley fue posteriormente mejorada por S. Dushman, como sigue:

con A1 y b0 , constantes. La representacin grfica de la expresin de Richardson3, se muestra en la fig. 5.

El segundo fenmeno de emisin que aparece en el mundo de la fsica, es el efecto fotoelctrico, observado por primera vez en 1887 por el fsico alemn H. R. Hertz (1857-1894). En un experimento con ondas electromagnticas , Hertz observ que cuando una superficie metlica es excitada con luz de gran intensidad, algunas cargas elctricas o portadores o iones (el electrn todava no haba sido descubierto) reciban energa suficiente como para escapar de la superficie metlica y crear una corriente elctrica. Este fenmeno de difcil comprensin a la poca, fue explicado en 1905 por A. Eisntein (1879-1955) utilizando conceptos de mecnica cuntica (introducidos en 1900 por M. Planck4 (1858-1947)) [11]. En la famosa

ecuacin del efecto fotoelctrico: Fig. 5. Representacin grficahv= hv0 W M AX de la ley de Richardson.El trmino hv0 recibe el nombre de funcin de trabajo de la superficie; fsicamente equivale a la energa que necesita el electrn para alcanzar la superficie metlica y escapar de ella. Esta teora explica adems la emisin termoinica, en la cual la energa de los electrones es obtenida por agitacin trmica de las partculas que conforman el metal, debido a su alta temperatura. Diferentes experimentos confirmaron que la energa mnima necesaria para el escape coincida con la funcin de trabajo fotoelctrico, para una misma superficie. Por lo tanto a esta altura de los acontecimientos ya se tenan los instrumentos para la explicacin fsica de la emisin termoinica de electrones y adems se conocan las caractersticas de estos (1883-1905).

La dependencia de la perveancia con la temperatura genera la saturacin, efecto que aparece principalmente cuando el filamento es polarizado con baja tensin (ver fig. 6) Para electrodos cilndricos la ley es similar, siendo propuesta en 1923. La ley de Child-Langmuir es valida tambin para el triodo, pero la corriente es adems funcin de la tensin de grilla:

De todo lo anterior se deduce que para tener una comprensin relativamente completa del fenmeno de

emisin termoinica, aplicado a las vlvulas de vaco, debieron pasar 40 aos (1883-1923) y adems tal aporte esdebido en buena parte a los estudiosos de la fsica. A decir verdad algunas cuestiones siguieron siendo incgnitas hasta los aos 30, prcticamente hasta el final de la vida de Edison.

DESARROLLOS IMPORTANTES

En la presente seccin se realiza una breve resea de algunos de los tipos de tubos termoionicos desarrollados a partir del triodo. La misma est muy lejos de ser completa, pero pretende mencionar aquellos dispositivos ms significativos, segn sus caractersticas aplicativas. En las figuras 7 y 8 se muestran algunos tipos de tubos termoinicos entre los tantos existentes.

Tetrodo (1919). El triodo o Audion de De Forest es solo el primer paso en el desarrollo de la electrnica ya que lejos estaba de ser el nico dispositivo de vaco que surgira. El mismo era capaz de amplificar corriente, pero con limitaciones sobre todo en altas frecuencias dada su gran capacidad interelectrdica (nodo-grilla, grilla-ctodo y nodo-ctodo). Tales capacidades disminuyen la impedancia de entrada del tubo y la ganancia, al aumentar la frecuencia de trabajo. Durante la primera guerra mundial, el fsico suizo-alemn W. H. Schottky (1886-1976) de la empresa Siemens (autor del trabajo que explica el efecto que usan los diodos schottky para su funcionamiento), resuelve el problema explicado en precedencia, agregando una segunda grilla entre la de control y el nodo o placa, llamada grilla pantalla [20]. De este modo la capacidad entre grilla de control y placa es menor dado que resulta ser la capacidad equivalente de dos capacitores en serie. La grilla pantalla es polarizada a un potencial positivo inferior al potencial de placa. A este nuevo tubo de vaco se lo llam tetrodo. La grilla pantalla trae aparejado un nuevo problema relacionado con la emisin secundaria. Cuando un tubo de vaco conduce normalmente, los electrones chocan con la placa a gran velocidad produciendo el desprendimiento de otros electrones, los cuales generan la llamada emisin secundaria. Tal emisin es mayor cundo mayor es el potencial de placa. Estos electrones son atrapados por la grilla pantalla (polarizada positivamente) aumentando la corriente de la misma pero disminuyendo la corriente de placa y provocando una caracterstica de salida del tubo como la mostrada en la figura 9.

Pentodo (1926) Para lograr un funcionamiento correcto del tetrodo es necesario polarizar la placa con potenciales relativamente altos, debido al efecto de la emisin secundaria. La solucin al problema que presenta el tetrodo, se logr agregando una tercera grilla entre la placa y la grilla pantalla, llamada grilla supresora. A este tubo de vaco se lo llam pentodo. Dicho dispositivo fue inventado y patentado en 1926 por el ingeniero holands B. D. H. Tellegen (1900-1990) de la empresa Philips [21], autor del conocido teorema de redes. La grilla supresora se polariza generalmente al mismo potencial del ctodo, por lo tanto es muy negativa respecto a la placa. Con esto se logra que cualquier electrn en la zona entre grilla supresora y placa sea repelido nuevamente hacia la placa, eliminando el efecto de la emisin secundaria presente en el tetrodo. La caracterstica de salida del pentodo es como la mostrada en la figura 10. Adems resulta un dispositivo con ganancia muy superior a la de un triodo. Con la aparicin del pentodo, el tetrodo prcticamente cae en desuso, surgiendo una amplia gama de pentodos para las ms variadas aplicaciones ya sea en tensiones, corrientes, frecuencias y potencias. El pentodo es el dispositivo que le permiti a la electrnica termoinica llegar a su plena madurez, ya que conjuntamente al triodo cubrieron la casi totalidad de las aplicaciones clsicas.

Vlvulas gaseosa (1920). Los dispositivos considerados hasta el momento son todos tubos de vaco, pero no son los nicos; se crearon adems los tubos gaseosos de ctodo caliente, los cuales contenan un gas como por ejemplo vapor de mercurio en equilibrio o argn. A esta clase pertenecen los diodos gaseosos que poseen una caracterstica de salida de conduccin abrupta, es decir a partir de una cierta tensin de placa, la corriente crece abruptamente. Por debajo de esta tensin, la corriente es de valor muy bajo o nulo. Entre los distintos modelos de tubos gaseosos existen aquellos con grilla de control, llamados thyratrones. En estos, la grilla controla el instante de la entrada en conduccin del dispositivo, aplicando a la misma una tensin de polarizacin oportuna. Una vez que la vlvula entra en conduccin, la tensin de grilla no tiene efecto sobre la corriente de placa. Estas vlvulas se usaban principalmente en aplicaciones industriales, donde se requera realizar una rectificacin controlada, etc. Los smbolos de estos tubos son iguales a los smbolos del diodo y triodo, con el agregado de un punto en su interior. Los estudios sobre el thyratron fueron comenzados en 1914 por los americanos I. Langmuir (1881-1957) y S. Meikle, ambos pertenecientes a la empresa GE. La fecha de invencin del mismo es atribuida al ao 1920. El primer dispositivo comercial aparece en 1928.

Magnetrn (1920). El magnetrn es una vlvula de vaco en la cual el flujo electrnico del ctodo est afectado por un campo magntico. El magnetrn de nodo dividido, est compuesto por un ctodo o filamento, dos placas semicilndricas y uncampo magntico transversal al plano de la trayectoria de los electrones [14]. Dicho campo magntico es generado por un imn permanente. Cuando las placas son positivas, los electrones atrados por estas siguen trayectorias curvas. Si las placas son muy positivas la curvatura de estas trayectorias es pequea, pero a tensiones ms bajas aumenta hasta que alcanzado un potencial crtico, con el cual los electrones siguen una trayectoria curva cerrada (cardioide) retornando al ctodo. Tal efecto se muestra en la figura 11. El magnetrn de nodo dividido dej de usarse debido a su relativamente baja potencia. En 1940, J. Randall y H. Boot de la Universidad de Birmingham, desarrollaron el magnetrn de cavidad, el cual genera potencias mayores y tiene especial aplicacin en radar. Tal magnetrn posee un cierto nmero de cavidades semicirculares en lugar del nodo dividido, las cuales se comportan como resonadores de cavidad generando impulsos de radiofrecuencia de gran energa. La precisin en frecuencia de esta vlvula es baja.

Klystron (1937). En aplicaciones que utilizan muy altas frecuencias (gigahertz), alta potencia y uando el magnetrn resulta poco preciso, se usa el klystron. Este dispositivo si bien utiliza la emisin termoinica, su funcionamiento difiere substancialmente respecto de los tubos de vaco tradicionales. Posee una serie de grillas entre las cuales se destacan las denominadas buncher y catcher, que se comportan como resonadores de cavidad. Dicho tubo puede trabajar adems como amplificador. En la figura 12, se muestra el smbolo Fig. 12. Smbolo y electrodos del Klystron.

del klystron con la denominacin de los correspondientes electrodos. La invencin del klystron es atribuida a los autores de la referencia, de la Universidad de Stanford en 1937.

LAS VLVULAS EN LA ACTUALIDAD

En la actualidad las vlvulas termoinicas quedaron relegadas a aplicaciones muy especficas, donde los semiconductores no satisfacen las expectativas de los expertos, como por ejemplo en equipos de audio de altsima calidad y derivados. Otra aplicacin en la cual se utilizan actualmente dichos dispositivos, es en estaciones transmisoras de grandes potencias como por ejemplo radio, televisin, etc. Las vlvulas utilizadas en tales aplicaciones pueden desarrollar potencias del orden de las centenas de kilowats. Quizs la aplicacin actual ms conocida de las vlvulas sea en los modernos hornos a microondas en los cuales se utiliza el magnetrn, como oscilador de potencia. Contrariamente a cuanto se pudiera pensar, actualmente la electrnica termoinica sigue teniendo un espacio en el campo de la investigacin.

CONCLUSIONES

De hecho es posible afirmar que si bien el nacimiento de la electrnica se debe fundamentalmente a las contribuciones de Edison, Fleming y De Forest, es este ltimo el verdadero inventor de la misma, dado que su Audion fue el primer dispositivo que logr controlar corriente y amplificar, principios bsicos y esenciales de la electrnica. El diodo de Fleming es considerado el primer tubo de vaco. Del TRC de Braun se puede decir que en el pasado le permiti a Thomson la realizacin de los trabajos sobre el electrn y en el presente forma parte de la base tecnolgica de la televisin y la computacin, entre otras aplicaciones. Cumplindose este ao el primer centenario de la invencin de la electrnica, poco queda para agregar respecto a su importancia en el desarrollo de la vida moderna. Ms bien surgen preguntas, como por ejemplo: cmo sera la vida actual sin la electrnica? Despus de la pregunta precedente surge la siguiente: cul fue el invento ms importante del siglo XX? y si la duda contina, surge una nueva pregunta: el hombre moderno habra logrado el actual desarrollo cientfico y tecnolgico sin la ayuda de la electrnica? El autor desea expresar que segn su criterio, el invento ha considerar es la electrnica en su conjunto, y no el triodo (o algn otro dispositivo) en forma individual.

Unidad 1Introduccin a la Electrnica de Potencia y dispositivos de disparo

1.2 Terminologa

Diodo de silicio = Toma este nombre ya que su funcionamiento es similar a un diodo de vaco que es un rectificadorTransistor = Palabra compuesta que quiere decir transferencia de resistencia

Bipolar = Quiere decir que es polarizado de dos maneras

Juntura = Unin

Unijuntura = Una sola unin

Rectificador = Que solo permite un sentido

Unidad 1Introduccin a la Electrnica de Potencia y dispositivos de disparo

1.3 UJT, PUT, DIAC, SCR, TRIAC, SUS, SBS, LASCR, GTO, SCS, IGBT, Mosfet de potencia.Introduccin:Dentro de los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y el diodo Shockley.

Existen tiristores de caractersticas especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).

Lo ms importante a considerar de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los electrodos principales.

El componente bsico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos:

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conduccin).

Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Aplicaciones:

Traccin elctrica: troceadores y convertidores.

Industria:

Control de motores asncronos.

Inversores.

Caldeo inductivo.

Rectificadores.

Etc.

Tiristores

Adems de los dispositivos semiconductores de una sola juntura(1 capa N unida con otra P), tales como los diodos rectificadores y los transistores UJT, existen los de dos junturas (transistores bipolares hechos con dos capas N cubriendo una capa P, o a la inversa) y los de tres o ms junturas (un mnimo de cuatro capas alternadas P-N-P-N de material semiconductor), los cuales se conocen con el nombre de "TIRISTORES" y se desarrollaron inicialmente por los Ingenieros de la General Electric en USA en la dcada de los 60.Un tiristor es un dispositivo conmutador biestable que tiene la propiedad de pasar rpidamente al esta "ON"(encendido) para una plena corriente de trabajo cuando recibe un pulso momentneo de corriente en su terminal de control, y slo puede ser puesto en "OFF"(apagado) con la interrupcin de la corriente principal de trabajo, interrumpiendo el circuito o haciendo circular una corriente de sentido contrario. Los tiristores son usualmente dispositivos de mediana y de alta potencia. Son el equivalente slido de los interruptores mecnicos, por lo cual dejan pasar plenamente o bloquear por completo en paso de la corriente de trabajo, sin niveles intermedios; o todo, o nada.Al grupo de los tiristores pertenecen dispositivos tales como el DIAC, equivalente a dos diodos zener puestos en serie pero en sentidos inversos, o sea que slo conduce corrientes cuando stas alcanzan cierto voltaje, as sean alternas; el SCR, un rectificador de conduccin controlada; el TRIAC, equivalente a dos SCR en contraparalelo; el QUADRAC, o sea un TRIAC con un DIAC incluido en serie con el terminal gate; el PUT y el FOTOTIRISTOR.Un tiristor es uno de los tipos ms importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrnicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prcticos exhiben ciertas caractersticas y limitaciones.

CARACTERSTICAS DE LOS TIRISTORES

Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: nodo ctodo y compuerta. La fig. 1 muestra el smbolo del tiristor y una seccin recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusin.Cuando el voltaje del nodo se hace positivo con respecto al ctodo, las uniones J1 y J3 tienen polarizacin directa o positiva. La unin J2 tiene polarizacin inversa, y solo fluir una pequea corriente de fuga del nodo al ctodo. Se dice entonces que el tiristor est en condicin de bloqueo directo o en estado desactivado llamndose a la corriente fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje nodo a ctodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unin J2 polarizada inversamente entrar en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarizacin directa, habr un movimiento libre de portadores a travs de las tres uniones que provocar una gran corriente directa del nodo. Se dice entonces que el dispositivo est en estado de conduccin o activado.

Fig. 1 Smbolo del tiristor y tres uniones pn

La cada de voltaje se deber a la cada ohmica de las cuatro capas y ser pequea, por lo comn 1V. En el estado activo, la corriente del nodo est limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como se muestra en la fig. 2.La corriente del nodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a travs de la unin; de lo contrario, al reducirse el voltaje del nodo al ctodo, el dispositivo regresar a la condicin de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del nodo mnima requerida para mantener el tiristor en estado de conduccin inmediatamente despus de que ha sido activado y se ha retirado la seal de la compuerta. En la fig. 2b aparece una grfica caracterstica v-i comn de un tiristor.

Fig.2 Circuito Tiristor y caracterstica v-i

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conduccin y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguir conduciendo, porque en la unin J2 no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del nodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una regin de agotamiento alrededor de la unin J2 debida al nmero reducido de portadores; el tiristor estar entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL. Esto significa que IL>IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del nodo mnima para mantener el tiristor en estado de rgimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.Cuando el voltaje del ctodo es positivo con respecto al del nodo, la unin J2 tiene polarizacin directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarizacin inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a travs de ellos. El tiristor estar en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR, fluir a travs del dispositivo.

MODELO DE TIRISTOR DE DOS TRANSISTORES

La accin regenerativa o de enganche de vida a la retroalimentacin directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.

La corriente del colector IC de un tiristor se relaciona, en general, con la corriente del emisor IE y la corriente de fuga de la unin colector-base ICBO, como

Ic = IE + ICBO (1)

La ganancia de corriente de base comn se define como =IC/IE. Para el transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del nodo IA, y la corriente del colector IC1 se puede determinar a partir de la ecuacin (1):

IC1 = 1 IA + ICBO1 (2)

a) Estructura bsica b) Circuito equivalente

Fig. 3 Modelo de tiristor de dos terminales.

Donde alfa1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para Q1. En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector IC2 es:

IC2 = 2IK + ICBO2 (3)

Donde 2 es la ganancia de corriente y ICBO2 es la corriente de fuga correspondiente a Q2. Al combinar IC1 e IC2, obtenemos:

IA = IC1 + IC2 = 1IA + ICBO1 + 2IK + ICBO2 (4)

Pero para una corriente d compuerta igual AIG, IK=IA+IG resolviendo la ecuacin anterior en funcin de IA obtenemos:

IA = 2 IG + ICBO1 + ICBO2 (5)1 - ( 1 + 2)

ACTIVACIN DEL TIRISTOR

Un tiristor se activa incrementndola corriente del nodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas.

TERMICA. Si la temperatura de un tiristor es alta habr un aumento en el nmero de pares electrn-hueco, lo que aumentar las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes har que 1 y 2 aumenten. Debido a la accin regenerativa ( 1+ 2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activacin puede causar una fuga trmica que por lo general se evita.

LUZ. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrn-hueco pudindose activar el tiristor. La activacin de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.

ALTO VOLTAJE. Si el voltaje directo nodo a ctodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluir una corriente de fuga suficiente para iniciar una activacin regenerativa. Este tipo de activacin puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

dv/dt. Si la velocidad de elevacin del voltaje nodo-ctodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede daar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt mximo permisible de los tiristores.

CORRIENTE DE COMPUERTA. Si un tiristor est polarizado en directa, la inyeccin de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del ctodo activar al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, tal y como aparece en la fig.4

Fig.4 Efectos de la corriente de compuerta sobre el voltaje de bloqueo directo.

TIPOS DE TIRISTORES

Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusin. La corriente del nodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el rea de la unin, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la seal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activacin y el tiempo de desactivacin, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Dependiendo de la construccin fsica y del comportamiento de activacin y desactivacin, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categoras:

1. Tiristores de control de fase (SCR).2. Tiristores de conmutacin rpida (SCR).3. Tiristores de desactivacin por compuerta (GTO).4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).5. Tiristores de conduccin inversa (RTC).6. Tiristores de induccin esttica (SITH).7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)9. Tiristores controlados por MOS (MCT)

En esta practica fue necesario adems de utilizar tiristores, la utilizacin de un tipo especial de estos como lo es un UJT adems de un PUT por lo que se definen ambos a continuacin: Tiristor SCRSilicon controlled rectifier

Tiristor SCSSilicon controlled switch

Diac *

Diac

Triac

Tiristor SchottkyPNPN de 4 capas *

Tiristor SchottkyPNPN de 4 capas

Tiristor SchottkyPNPN de 4 capas

Tiristor de conduccin inversa, puerta canal N controlado por nodo

Tiristor de conduccininversa, puerta canal Pcontrolado por ctodo

Tiristor de desconexinpuerta canal Ncontrolado por nodo

Tiristor de desconexin puerta control P controlado por ctodo

SBSSilicon bilateral switch

SUSSilicon unilateral switch

Trigger Diac

Fototiristor

Ditriac / Quadrac

Darlistor

VERIFICACION Y CHEQUEO DE TIRISTORES:Si las caractersticas de voltaje y corriente de trabajo del tiristor lo permiten, puedes armar un crcuito para la comprobacin del estado y la identificacin del dispositivo(el ciruito de comprobacin lo puedes ver en el indice). Cuando la bombilla enciende a plena luz es porque est circulando la onda completa de la corriente alterna, esto significa que se trata de un TRIAC. Cuando se trata de un SCR la bombilla slo suministra aproximadamente la mitad de su luz, porque solamente recibe los medios ciclos positivos. Para comprobar que el triac si est apagado cada vez que la onda de la corriente de trabajo pasa por su nivel cero, la bombilla se debe apagar cuando se desconecte la resistencia de polarizacin del gate(esto sirve para comprobar que el dispositivo no est en cortocircuito).

PRUEBA CON EL OHMETRO O MULTIMETRO:Debido a que todos los medidores de resistencia tienen una fuente de corriente contnua(Pilas), se pueden verificar con este instrumento la gran mayora de rectificadores SCR y TRIACs. Este procedimiento no sirve para los QUADRAC, ya que para estos necesitamos una seal de gatillado superior a los 20 voltios, y los ohmetros y multimetros slo tienen 3 voltios. No se aconseja hacer estos chequeos con instrumentos que slo usan una pila de 1.5 voltios, pues la seal que entregan no alcanza ni para probar LEDs(diodo emisor de luz).

PROCEDIMIENTO: Coloquemos el ohmetro o multimetro en la escala para medir baja resistencia( R x 1). Coloquemos el caimn positivo(rojo) al ctodo del SCR, y conectemos el nodo al cable negativo(negro), podr parecer incorrecto, puesto que se ha dicho que el nodo debe quedar positivo, pero resulta que las corrientes de salida en los terminales del instrumento tienen polaridad contraria a la que sealan sus signos y colores. En este momento la aguja del medidor seala alta resistencia(si es que se mueve ). Ahora hagamos un puente entre los terminales gate y nodo, esto acasionar que la aguja suba a una posicin de baja resistencia, y se debe conservar all aunque retiremos el puente que uni estos 2 terminales y suministr la seal de gatillado.

Si se trata de un triac, hagamos primero la prueba anterior, luego, invertimos los terminales del ohmetro(es posible que en esta ltima posicin no se sostenga la aguja en su lugar de baja resistencia cuando reitre el puente, pero esto se debe a que la baja corriente del instrumento medidor no alcanza para mantener encendido el triac en esta polaridad). Para las pruebas, TP1 equivale al ctodo, y TP2 al nodo.

UJT

El Transistor UJT (UniJunction Transistor) Transistor uniunin

El transistor uniunin (en ingls UJT: UniJuntion Transistor) es un tipo de tiristor que contiene dos zonas semiconductoras.

Tiene tres terminales denominados emisor (E), base uno (B1) y base dos (B2). Est formado por una barra semiconductora tipo N, entre los terminales B1-B2, en la que se difunde una regin tipo P+, el emisor, en algn punto a lo largo de la barra, lo que determina el valor del parmetro , standoff ratio, conocido como razn de resistencias o factor intrinseco.

Cuando el voltaje Veb1 sobrepasa un valor vp de ruptura, el ujt presenta un fenomeno de modulacin de resistencia que, al aumentar la corriente que pasa por el dispositivo, la resistencia de esta baja y por ello, tambien baja el voltaje en el dispositivo, esta region se llama region de resistencia negativa, este es un proceso reiterativo, por lo que esta region no es estable, lo que lo hace exelente para conmutar, para circuitos de disparo de tiristores y en osciladores de relajacin.

El transistor UJT (transistor de unijuntura - Unijunction transistor) es un dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores. Es un dispositivo de disparo. Es un dispositivo que consiste de una sola unin PN

Fsicamente el UJT consiste de una barra de material tipo N con conexiones elctricas a sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexin hecha con un conductor de aluminio (E) en alguna parte a lo largo de la barra de material N.

En el lugar de unin el aluminio crea una regin tipo P en la barra, formando as una unin PN. Ver el siguiente grfico

Como se dijo antes este es un dispositivo de disparo. El disparo ocurre entre el Emisor y la Base1 y el voltaje al que ocurre este disparo est dado por la frmula: Voltaje de disparo = Vp = 0.7 + n x VB2B1

Donde:- n = intrinsic standoff radio (dato del fabricante)- VB2B1 = Voltaje entre las dos bases

La frmula es aproximada porque el valor establecido en 0.7 puede variar de 0.4 a 0.7 dependiendo del dispositivo y la temperatura.

Dos ejemplos sencillos

1.- Un UJT 2N4870 tiene un n = 0.63 y 24 voltios entre B2 y B1.Cul es el voltaje de disparo aproximado?Voltaje de disparo = Vp = 0.7 + (0.63 x 24) = 15.8 Voltios

2.- Un UJT 2N4870 tiene un n = 0.68 y 12 voltios entre B2 y B1.Cul es el voltaje de disparo aproximado?Voltaje de disparo = Vp = 0.7 + (0.68 x 12) = 8.86 Voltios.

Nota:- Un dato adicional que nos da el fabricante es la corriente necesaria que debe haber entre E y B1 para que el UJT se dispare = Ip.- Es importante hacer notar que tambin se ha construido el UJT donde la barra es de material tipo P (muy poco). Se le conoce como el CUJT o UJT complementario. Este se comporta de igual forma que el UJT pero con las polaridades de las tensiones al revs

Aplicaciones:

El transistor monounin (UJT) se utiliza generalmente para generar seales de disparo en los SCR. En la fig.5 se muestra un circuito bsico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounin tiene las caractersticas de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentacin Vs en cd, se carga el capacitor C a travs de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT est en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a travs de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.El voltaje de disparo VB1 debe disearse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilacin, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentacin Vs y est dado por:

T = 1/f = RC ln 1/1-n

Fig.5 Circuito bsico de disparo de un UJT

PARMETROS DEL UJT

UJT (Uni-Juntion Transistor): transistor formado por una resistencia de silicio (de 4 a 9 K) tipo N

con tres terminales, dos bases, B1 y B2, y un emisor (unin NP).

En la figura 4 se representa el smbolo, estructura y curva caracterstica

FUNCIONAMIENTO DEL UJT

El punto de funcionamiento viene determinado por las caractersticas del circuito exterior. El

funcionamiento del UJT se basa en el control de la resistencia rB1B2 mediante la tensin aplicada al

emisor.

Si el emisor no est conectado

VE < VP : Diodo polarizado inversamente : no conduce : IE = 0.

PUT

PUT Transistor Uniunin Programable El PUT (Transistor Uniunin programable) es un dispositivo que, a diferencia del transistor bipolar comn que tiene 3 capas (NPN o PNP), tiene 4 capas.

El PUT tiene 3 terminales como otros transistores y sus nombres son: ctodo K, nodo A, puerta G.

A diferencia del UJT, este transistor permite que se puedan controlar los valores de RBB y VP que en el UJT son fijos. Los parmetros de conduccin del PUT son controlados por la terminal G

Este transistor tiene dos estados: Uno de conduccin (hay corriente entre A y K y la cada de voltaje es pequea) y otro de corte cuando la corriente de A a K es muy pequea.

Este transistor se polariza de la siguiente manera:

Del grfico anterior se ve que cuando IG = 0, VG = VBB * [ RB2 / (RB1 + RB2) ] = n x VBB donde: n = RB2 / (RB1 + RB2)

La principal diferencia entre los transistores UJT y PUT es que las resistencias: RB1 + RB2 son resistencias internas en el UJT, mientras que el PUT estas resistencias estn en el exterior y pueden modificarse.

Aunque el UJT y el PUT son similares, El Ip es ms dbil que en el UJT y la tensin mnima de funcionamiento es menor en el PUT.

Como funciona? Ver grfico anterior.

Para pasar al modo activo desde el estado de corte (donde la corriente entre A y K es muy pequea) hay que elevar el voltaje entre A y K hasta el Valor Vp, que depende del valor del voltaje en la compuerta G

Slo hasta que la tensin en A alcance el valor Vp, el PUT entrar en conduccin (encendido) y se mantendr en este estado hasta que IA (corriente que atraviesa el PUT) sea reducido de valor. Esto se logra reduciendo el voltaje entre A y K o reduciendo el voltaje entre G y K

Ejemplo: Una aplicacin tpica: Oscilador con PUT

El funcionamiento es el siguiente: El condensador C se carga a travs de la resistencia R hasta que el voltaje en A alcanza el voltaje Vp. En este momento el PUT se dispara y entra en conduccin.

El voltaje en VG cae casi hasta 0 (cero) voltios y el PUT se apaga, repitindose otra vez el proceso. Ver a continuacin las formas de onda de las tensiones en C, K y G

La frecuencia de oscilacin es: f = 1 / 1.2 x RC

Aplicaciones: el transistor monounin programable (PUT) es un pequeo tiristor que aparece en la fig.7. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajacin, tal y como se muestra en la fig.7b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentacin mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp est fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentacin de cd, pero en un PUT puede variar al modificar al modificar el valor del divisor resistivo R! y R2. Si el voltaje del nodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservar en su estado inactivo, pero si el voltaje de nodo excede al de compuerta en una cada de voltaje de diodo VD, se alcanzar el punto de pico y el dispositivo se activar. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentacin en cd Vs. N general Rk est limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilacin T est dado en forma aproximada por:

T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)

Fig.7 Circuito de disparo para un PUT

PARMETROS DEL PUT

PUT (Programable Uni-Juntion Transistor): de caracteristicas idnticas al UJT, puede ajustar los

valores de , VP e IV mediante un circuito de polarizacin externo.

Su constitucin y funcionamiento es similar a las de un tiristor con puerta de nodo (Fig. 6). Tiene tres terminales: ctodo K, nodo A y puerta de nodo GA.

FUNCIONAMIENTO DEL PUT

Si VA < VGA => diodo A-GA se polariza inversamente => solo circula corriente de fugas.

Si VA > VGA =>diodo A-GA conduce y tiene una caracterstica similar a la del UJT (Fig. 7).

DIACEl DIAC (DIodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente slo tras haberse superado su tensin de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor caracterstico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayora de los DIAC tienen una tensin de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamineto es similar a una lmpara de nen.

Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados nodo y ctodo. Acta como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts segn la referencia.

DIAC de tres capas

Existen dos tipos de DIAC:

DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexin de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensin de avalancha en la unin del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, producindose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simtrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.

DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la caracterstica bidireccional

DIODO SHOCKLEY

Diodo de cuatro capas o diodo tiristor: dispositivo bipolar PNPN comparable a un tiristor sin el terminal de puerta (Fig. 9).

El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: nodo y ctodo. Est constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Acta como un interruptor: est abierto hasta que la tensin directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conduccin. La conduccin contina hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor especfico (IH).

Figura 1: Construccin bsica y smbolo del diodo Shockley

CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD

Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, slo habr una corriente muy pequea hasta que se alcance la tensin de ruptura (VRB).

Figura 2: Caracterstica I-V del diodo Shockley

En polarizacin positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensin VB0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conduccin, su tensin disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la prctica, por los componentes externos. La conduccin continuar hasta que de algn modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento IH.La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarizacin directa tiene un lmite impuesto por el propio componente (IMAX), que si se supera llevar a la destruccin del mismo. Por esta razn, ser necesario disear el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parmetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es VRB, ya que provocara un fenmeno de avalancha similar al de un diodo convencional.

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona bsicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarizacin directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarizacin del dispositivo, para que cese la conduccin hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma anloga, no tienen por qu ser simtricas.

CARACTERSTICAS GENERALES Y APLICACIONES.Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensin a la carga durante una fraccin de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminacin con intensidad variable, calefaccin elctrica con regulacin de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

La forma ms simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensin de disparo del DIAC, producindose a travs de l la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conduccin. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podr ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conduccin del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensin media aplicada a la carga, obtenindose un simple pero eficaz control de potencia.

Figura 3: Disparo de TRIAC mediante un DIAC.

QUADRACS

Dispositivo formado por un diac que dispara a un triac. Posee tres terminales, dos de potencia del triac y un extremo del diac como puerta del Quadracs (Fig. 10).

DIAC: ESTRUCTURA Y CARACTERISTICAS

Diac (Diode Alternative Current): dispositivo bidireccional simtrico (sin polaridad) con dos

electrodos principales, MT1 y MT2, y ninguno de control (Fig.1.a).

Su estructura es la representada en la figura 1.b.

En la curva caracterstica tensin-corriente (Fig. 1.c) se observa que:

V(+ ) < VS => el elemento se comporta como un circuito abierto.

V(+ ) > VS =>el elemento se comporta como un cortocircuito.

Se utilizan para disparar esencialmente a los triacs.

SCR

DEFINICIN.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposicin pnpn (Figura 2). Est formado por tres terminales, llamados nodo, Ctodo y Puerta. La conduccin entre nodo y ctodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es nico), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Figura 1: Smbolo del SCR.

ESTRUCTURA.

Figura 2 : Estructura bsica del SCR.

SCR(Rectificador Controlado de Silicio):Este es un pequeo dispositivo de tres terminales, que hacen el mismo trabajo semicondudtor de un diodo normal(deja pasar corriente en un solo sentido), pero con la diferencia de que en ste se puede controlar el momento en el cual pueden comenzar a pasar los electrones.Al primer terminal se le denomina Ctodo, y es utilizado como entrada de corriente. El segundo sirve de salida y se le llama Anodo y el tercero es el Gate, o terminal de control para el paso de corriente ctodo - nodo. El gate, llamado tambin terminal de arranque o encendido del tiristor, slo sirve para iniciar el paso de corriente entre los otros dos terminales, lo que logra con una corriente muy baja(unos 20 miliamperios).Podemos comparar un SCR con una puerta comn, de esas que tienen resorte y se cierran solas.

Vamos a suponer que un viento fuerte la golpea por uno de sus lados, tratando de abrirla, Bastar con que alguien la abra o accione el picaporte, para que el viento se encargue de abrirla y mantenerta as, sin importar el estado del picaporte.El viento, es equivalente al voltaje de los electrones presentes en el terminal de control.

CARACTERSTICAS GENERALES.

Interruptor casi ideal.

Soporta tensiones altas.

Amplificador eficaz.

Es capaz de controlar grandes potencias.

Fcil controlabilidad.

Relativa rapidez.

Caractersticas en funcin de situaciones pasadas (memoria).

CARACTERSTICAS ESTTICAS.

Las caractersticas estticas corresponden a la regin nodo - ctodo y son los valores mximos que colocan al elemento en lmite de sus posibilidades:

- Tensin inversa de pico de trabajo .............................................: VRWM- Tensin directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM- Tensin directa ............................................................................: VT- Corriente directa media ...............................................................: ITAV- Corriente directa eficaz ...............................................................: ITRMS- Corriente directa de fugas ...........................................................: IDRM- Corriente inversa de fugas ..........................................................: IRRM- Corriente de mantenimiento .......................................................: IH Las caractersticas trmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:- Temperatura de la unin ................................................................: Tj- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg- Resistencia trmica contenedor-disipador ......................................: Rc-d- Resistencia trmica unin-contenedor ............................................: Rj-c- Resistencia trmica unin-ambiente................................................: Rj-a- Impedancia trmica unin-contenedor.............................................: Zj-c

CARACTERSTICAS DE CONTROL.

Corresponden a la regin puerta-ctodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes caractersticas:-Tensin directa mx. ........................................................................: VGFM- Tensin inversa mx. .......................................................................: VGRM- Corriente mxima..............................................................................: IGM- Potencia mxima ...............................................................................: PGM- Potencia media .................................................................................: PGAV- Tensin puerta-ctodo para el encendido..........................................: VGT- Tensin residual mxima que no enciende ningn elemento...........: VGNT- Corriente de puerta para el encendido ..............................................: IGT- Corriente residual mxima que no enciende ningn elemento..........: IGNT

Entre los anteriores destacan:

- VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

- VGNT e IGNT, que dan los valores mximos de corriente y de tensin, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.

rea de disparo seguro. En esta rea (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las curvas: Curva A y B: lmite superior e inferior de la tensin puerta-ctodo en funcin de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de nodo.

Curva C: tensin directa de pico admisible VGF.

Curva D: hiprbola de la potencia media mxima PGAV que no debemos sobrepasar.

TEORIA Y OPERACIN DE LOS SCR Un rectificador controlado de silicio (SCR, rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres terminales usado para controlar corrientes mas bien altas para una carga. El smbolo esquemtico del SCR se presenta en la figura 1.

Figura1. Smbolo esquemtico y nombres de las terminales de un SCR.Un SCR acta a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del nodo al ctodo. Acta entonces como un interruptor cerrado. Cuando esta apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del nodo al ctodo. Por tanto, acta como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado s1ido, la accin de conmutacin de un SCR es muy rpida.

El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 2. La alimentaci6n de voltaje es comnmente una fuente de 60-Hz de ca, pero puede ser de cd en circuitos especiales.

Si la alimentacin de voltaje es de ca, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de ca en el estado ON, y el resto del tiempo en el estado OFF. Para una fuente de 60-Hz de ca, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que esta en ON y el tiempo que esta en OFF. La cantidad de tiempo que esta en cada estado es controlado por el disparador.

Si una porcin pequea del tiempo esta en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga es pequea. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a travs del SCR, y a la carga, s1o por una porcin relativamente pequea del tiempo. Si la seal de la compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo mas largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio ser mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a travs del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porci6n del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.

Figura2. Relacin de circuito entre la fuente de voltaje ,un SCR y la cargaComo lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente slo durante los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el nodo del SCR es mas positivo que el ctodo. Esto significa que el SCR de la figura 2 no puede estar encendido ms de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarizaci6n inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga.

FORMAS DE ONDA DE LOS SCR Los trminos populares para describir la operacin de un SCR son ngulo de conduccin y ngulo de retardo de disparo. El ngulo de conduccin es el numero de grados de un ciclo de ca durante los cuales el SCR esta encendido. El ngulo de retardo de disparo es el numero de grados de un ciclo de ca que transcurren antes de que el SCR sea encendido. Por supuesto, estos trminos estn basados en la nocin de que el tiempo total del ciclo es igual a 360 grados.

En la figura 3 se muestran las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ngulo de retardo de disparo. Al momento que el ciclo de ca inicia su parte positiva, el SCR esta apagado. Por tanto tiene un voltaje instantneo a travs de sus terminales de nodo y ctodo igual al voltaje de la fuente. Esto es exactamente lo que se vera si se colocara un interruptor abierto en un circuito en lugar del SCR. Dado que el SCR interrumpe en su totalidad el suministro de voltaje, el voltaje a travs de la carga (VLD) es cero durante este lapso. La extrema derecha de las ondas ilustran estos hechos. Mas a la derecha en los ejes horizontales, se muestra el voltaje de nodo a ctodo (VAK) cayendo a cero despus de aproximadamente un tercio del semiciclo positivo. Esto es el punto de 60. Cuando VAK cae a cero, el SCR se ha "disparado", o encendido. Por tanto, el ngulo de retardo de disparo es de 60. Durante los siguientes 120 el SCR se comporta como un interruptor cerrado sin voltaje aplicado a sus terminales. El ngulo de conducci6n es de 120. El ngulo de retardo de disparo y el ngulo de conducci6n siempre suman 180.

Figura3. Formas de ondas ideales del voltaje de la terminal principal (VAK) y el voltaje de carga de un SCR. Para un ngulo de retardo de disparo de unos 60o, un ngulo de conduccin de 120o.En la figura 3, la forma de onda del voltaje de carga muestra que, al dispararse el SCR, el voltaje de la fuente es aplicado a la carga. El voltaje de carga entonces sigue al voltaje de la fuente por el resto del semiciclo positivo, hasta que el SCR nuevamente se apaga. El estado OFF ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero.

En general, estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se dispare, el voltaje es retirado de entre las terminales del SCR, y la carga ve un voltaje cero. Despus de haberse disparado el SCR, la totalidad del suministro de voltaje es retirado a travs de la carga, y el SCR presenta voltaje cero. El SCR se comporta como un interruptor de accin rpida.

Caractersticas DE LA COMPUERTA DE LOS SCR Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unin entre la compuerta y el ctodo, y sale del SCR por la terminal del ctodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayora de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay una unin pn estndar entre la compuerta y el ctodo, el voltaje entre estas terminales (VGK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. En la figura 4 se muestran las condiciones que deben existir en la compuerta para que un SCR se dispare.

Figura4.Voltaje de compuerta a ctodo (VGK) y corriente de compuerta (IG) necesarios para disparar un SCR.Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. Mientras la corriente continu fluyendo a travs de las terminales principales, de nodo a ctodo, el SCR perrnanecer en ON. Cuando la corriente de nodo a ctodo (IAK) caiga por debajo de un valor mnimo, llamado corriente de retencin, simbolizada IHO el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de ca pasa por cero a su regin negativa. Para la mayora de los SCR de tamao mediano, la IHO es alrededor de 10 mA.

PRACTICA: CIRCUITO BASICO DE DISPARO PARA UN SCROBJETIVO: Comprobar la operacin de un tiristor como elemento de control de fase

MATERIAL: 1 SCR C-106B

1 Resistencia de 3.3 K - W (R1)

1 Resistencia Variable

1 Diodo rectificador IN4007 o equivalente

1 Lmpara miniatura 127 Vca

1 Fusible de 0.5 Amp. c/porta fusible

Cable elctrico (cal. 14)

INSTRUMENTOS: Fuente de alimentacin de 127 Vca

Osciloscopio

Voltmetro

DESARROLLO:1. - Obtener las caractersticas elctricas y fsicas del SCR C-106B o sustituto.

Estas caractersticas se presentan en el anexo de esta practica junto con las caractersticas fsicas.

2. - Calcular el valor de R2 para el circuito bsico de disparo mostrado en la sig figura.

Datos

R1 = 3.3 K

VMax = 127 Vca

IGT = 200f

Por ley de Ohm

VMax = IGTRab Despejando RabSustituyendo valores para obtener Rab Rab = R1 + R2, Despejamos R2

3. - Con el osciloscopio determinar el ngulo mximo y mnimo de retardo en el disparo para el SCR.

Los valores obtenidos en el osciloscopio fueron los sig.

4. - Graficar las formas de onda en el tiristor y en la carga para cada uno de los ngulos de retardo en el disparo.

Otros dispositivos encapsulados

CONJUNTO DIODO MS TIRISTOR

Dispositivo formado por un diodo y un tiristor en la misma cpsula o integrados en la misma pastilla. (Fig. 11).

PUENTES MIXTOS

Conjunto de dos diodos y dos tiristores en la misma cpsula (Fig. 12).

TRIAC

INTRODUCCION

El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa paracontrolar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad deque conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversin de la tensino al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triacpuede ser disparado independientemente de la polarizacin de puerta, es decir,mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

El Triac puede ser considerado como la integracin de 2 SCR's en forma paralela invertida.

TRIAC

El TRIAC (triode AC conductor) es un semiconductor capaz de bloquear tensin y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2. Su estructura bsica y smbolo aparecen en la fig.8. Es un componente simtrico en cuanto a conduccin y estado de bloqueo se refiere, pues la caracterstica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 --- iT2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una cada de tensin en conduccin prcticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conduccin, si se supera la tensin de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destruccin por sobretensin.

Fig.8 TRIAC: Estructura y smbolo.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRIAC

Se puede considerar a un TRIAC como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo, con una conexin de compuerta comn, como se muestra en la fig.9Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como nodo y ctodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, se activar al aplicar una seal negativa a la compuerta, entre la compuerta y la terminal MT1.No es necesario que esten presentes ambas polaridades en las seales de la compuerta y un TRIAC puede ser activado con una sola seal positiva o negativa de compuerta. En la prctica, la sensibilidad vara de un cuadrante a otro, el TRIAC normalmente se opera en el cuadrante I (voltaje y corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante III (voltaje y corriente de compuerta negativos).

Fig.9 Circuito equivalente de un TRIAC

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRIAC

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicacin entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuacin se vern los fenmenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + :

Terminal T2 positiva con respecto a T1.Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalizacin del terminal del ctodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2.La corriente de puerta circula internamente hasta T1 , en parte por la unin P2N2 y en parte a travs de la zona P2. Se produce la natural inyeccin de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el rea prxima a la puerta por la cada de tensin que produce en P2 la circulacin lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusin la unin P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella inicindose la conduccin.

Modo I - :

Terminal T2 positivo respecto a T1.Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unin. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de ctodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensin positiva de T2 y polariza fuertemente la unin P2N2 que inyecta electrones hacia el rea de potencial positivo. La unin P2N1 de la estructura principal que soporta la tensin exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conduccin.

Modo III + :

Terminal T2 negativo respecto a T1.Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conduccin la estructura P2N1P1N4.La inyeccin de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusin la unin P2N1 son absorbidos por su potencial de unin, hacindose ms conductora. El potencial positivo de puerta polariza ms positivamente el rea de la unin P2N1 prxima a ella que la prxima a T1, provocndose una inyeccin de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unin N1P1 encargada de bloquear la tensin exterior y se produce la entrada en conduccin.

Modo III - :

Terminal T2 negativo respecto a T1.Intensidad de puerta saliente.

Tambin se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen ms conductora la unin P2N1. La tensin positiva de T1 polariza el rea prxima de la unin P2N1 ms positivamente que la prxima a la puerta. Esta polarizacin inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unin N1P1 y la hacen pasar a conduccin.

Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los ms sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo ms difcil y debe evitarse su empleo en lo posible.El fabricante facilita datos de caractersticas elctricas el bloqueo, conduccin y de dispar por puerta de forma similar a lo explicado para el tiristor.

DESCRIPCION GENERAL

Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una Terminal a la otra, dependiendo la direccin de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto acta como un interruptor abierto.

Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variacin de tensin importante al triac (dv/dt) an sin conduccin previa, el triac puede entrar en conduccin directa.

CONSTRUCCION BASICA, SIMBOLO, DIAGRAMA EQUIVALENTE

FIG. 1 FIG. 2

La estructura contiene seis capas como se indica en la FIG. 1, aun que funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a travs de P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a travs de P2N1P1N4. La capa N3facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicacin de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 1000 V de tensin de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores En la FIG. 2 se muestra el smbolo esquemtico e identificacin de las terminales de un triac, la nomenclatura nodo 2 (A2) y nodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.

El Triac acta como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Fig. 3 , este dispositivo es equivalente a dos latchs

FIG. 3

CARACTERISTICA TENSION CORRIENTE FIG. 4

La FIG. 4 describe la caracterstica tensin corriente del Triac. Muestra la corriente a travs del Triac como una funcin de la tensin entre los nodos MT2 y MT1.

El punto VBD (tensin de ruptura) es el punto por el cual el dispositivo pasa de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a travs del Triac, crece con un pequeo cambio en la tensin entre los nodos.

El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminucin de la tensin de la fuente. Una vez que el Triac entra en conduccin, la compuerta no controla mas la conduccin, por esta razn se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipacin de energa sobrante en la compuerta.

El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensin en el nodo MT2 es negativa con respecto al nodo MT1 y obtenemos la caracterstica invertida. Por esto es un componente simtrico en cuanto a conduccin y estado de bloqueo se refiere, pues la caracterstica en el cuadrante I de la curva es igual

a la del III

METODOS DE DISPARO

Como hemos dicho, el Triac posee dos nodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G.

La polaridad de la compuerta G y la polaridad del nodo 2, se miden con respecto al nodo 1.

El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicacin entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cules son los fenmenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

1 El primer modo del primer cuadrante designado por I (+),es aquel en que la tensin del nodo MT2 y la tensin de la compuerta son positivas con respecto al nodo MT1 y este es el modo mas comn (Intensidad de compuerta entrante).

La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la unin P2N2 y en parte a travs de la zona P2. Se produce la natural inyeccin de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el rea prxima a la compuerta por la cada de tensin que produce en P2 la circulacin lateral de corriente de compuerta. Esta cada de tensin se simboliza en la figura por signos + y -.

Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusin la unin P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella inicindose la conduccin.

2 El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-)es aquel en que la tensin del nodo MT2 y la tensin de la compuerta son negativos con respecto al nodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).

Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.

La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen ms conductora la unin P2N1.La tensin positiva de T1 polariza el rea prxima de la unin P2N1 ms positivamente que la prxima a la puerta. Esta polarizacin inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unin N1P1 y la hacen pasar a conduccin.

3 El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensin del nodo MT2 es positiva con respecto al nodo MT1 y la tensin de disparo de la compuerta es negativa con respecto al nodo MT1(Intensidad de compuerta saliente).

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unin. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.

El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de ctodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensin positiva de T2 y polariza fuertemente la unin P2N2 que inyecta electrones hacia el rea de potencial positivo. La unin P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensin exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conduccin.

4 El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensin del nodo T2 es negativa con respecto al nodo MT1, y la tensin de disparo de la compuerta es positiva con respecto al nodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conduccin la estructura P2N1P1N4.

La inyeccin de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusin la unin P2N1 son absorbido por su potencial de unin, hacindose ms conductora. El potencial positivo de puerta polariza ms positivamente el rea de unin P2N1 prxima a ella que la prxima a T1,provocndose una inyeccin de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unin N1P1 encargada de bloquear la tensin exterior y se produce la entrada en conduccin.

El estado I (+), seguido de III (-) es aquel en que la corriente de compuerta necesaria para el disparo es mnima. En el resto de los estados es necesaria una corriente de disparo mayor. El modo III (+) es el de disparo ms difcil y debe evitarse su empleo en lo posible.

En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el fabricante, asegura el disparo en todos los estados.

FORMAS DE ONDA DE LOS TRIACS

La relacin en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga se representa en la FIG.7. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequea del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a travs de muchos ciclos ser pequeo, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio ser alta.

Un triac no esta limitado a 180 de conduccin por ciclo. Con un arregloadecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo.Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar delcontrol de media onda que se logra con un SCR.

Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de ondade los SCR, a excepcin de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo.En la FIG.8 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga comopara el voltaje del triac ( a travs de los terminales principales) para doscondiciones diferentes.

En la FIG.8 (a), las formas de onda muestran apagado el triac durante losprimeros 30 de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como uninterruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de lnea se cae atravs de las terminales principales del triac, sin aplicar ningn voltaje ala carga. Por tanto no hay flujo de corriente a travs del triac y la carga.

La parte del semiciclo durante la cual existe seta situacin se llama ngulode retardo de disparo.

Despus de transcurrido los 30 , el triac dispara y se vuelve como uninterruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realizadurante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triacesta encendido se llama ngulo de conduccin.

La FIG.8 (b) muestran las mismas formas de ondas pero con ngulo de retardode disparo mayor.

FIG.8

CIRCUITO PRACTICO PARA DISPARO

FIG.5

En la FIG. 5 se muestra un circuito practico de disparo de un triacutilizando un UJT. El resistor RF es un resistor variable que semodifica a medida que las condiciones de carga cambian. El transformador T1 esun transformador de aislamiento, y su propsito es aislar elctricamente elcircuito secundario y el primario, para este caso asla el circuito de potenciaca del circuito de disparo.

La onda senoidal de ca del secundario de T1 es aplicada a un rectificador enpuente y la salida de este a una combinacin de resistor y diodo zener quesuministran una forma de onda de 24 v sincronizada con la lnea de ca. Estaforma de onda es mostrada en la FIG. 6 (a).

Cuando la alimentacin de 24 v se establece, C1 comienza a cargarse hasta laVp del UJT, el cual se dispara y crea un pulso de corriente en el devanadoprimario del transformador T2. Este se acopla al devanado secundario, y el pulsodel secundario es entregado a la compuerta del triac, encendindolo durante elresto del semiciclo. Las formas de onda del capacitor( Vc1),corriente del secundario de T2 ( Isec) y voltaje de carga (VLD),se muestran en la FIG. 6 (b), (c),(d).

La razn de carga de C1 es determinada por la razn de RF a R1,que forman un divisor de voltaje, entre ellos se dividen la fuente de cd de 24 vque alimenta al circuito de disparo. Si RF es pequeo en relacin aR1, entonces R1 recibir una gran parte de la fuente de24 v , esto origina que el transistor pnp Q1 conduzca, con unacirculacin grande de corriente por el colector pues el voltaje de R1es aplicado al circuito de base, por lo tanto C1 se carga conrapidez. Bajo estas condiciones el UJT se dispara pronto y la corriente de cargapromedio es alta.

Por otra parte se RF es grande en relacin a R1,entonces el voltaje a travs de R1 ser menor que en el casoanterior, esto provoca la aparicin de un voltaje menor a travs del circuitobase-emisor de Q1 con la cual disminuye su corriente de colector ypor consiguiente la razn de carga de C1 se reduce, por lo que lelleva mayor tiempo acumular el Vp del UJT. Por lo tanto el UJT y el triac sedisparan despus en el semiciclo y la corriente de carga promedio es menor queantes.

FIG.6

DISEO DEL CIRCUITO PRACTICO

Para el circuito de la FIG. 5, suponga las siguientes condiciones, R1 = 5 k, Rf = 8 k,

R2=2,5k, C1=0,5 uF,

Supngase que R1 y Rf estn en serie, , luego , de la ecuacin , El capacitor debe cargarse hasta el Vp del UJT, que esta dado por,

El tiempo requerido para cargar hasta ese punto puede encontrarse en , permite que simbolice el ngulo de retardo de disparo. Dado que 360 grados representan un periodo de un ciclo, y el periodo de una fuente de 60 HZ es de 16.67 ms, se puede establece la proporcin , Para un ngulo de retardo de disparo de 120 grados, el tiempo entre el cruce por cero y el disparo seta dado por la proporcin , El punto pico del UJT es aun 14.5 V, por lo que para retardar el disparo durante 5.55 ms, la razn de acumulacin de voltaje debe ser, , luego que nos da , entonces podemos encontrar Rf , trabajando con seta ecuacin y resolviendo Rf se obtiene , por tanto, si la resistencia de realimentacin fuera incrementada a 25K, el Angulo de retardo de disparo se incrementa a y la corriente de carga se reducir proporcionalmente EJEMPLO PRACTICO DEAPLICACION y DISEO

En la FIG.9 puede verse una aplicacin prctica de gobierno de un motor dec.a. mediante un triac (TXAL228). La seal de control (pulso positivo) llegadesde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a susalida proporciona un 0 lgico por lo que circular corriente a travs deldiodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un hazluminoso que hace conducir al fototriac a travs de R2 tomando la tensin delnodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensin de puertasuficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conduccinprovocando el arranque del motor.

Debemos recordar que el triac se desactiva automticamente cada vez que lacorriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesarioredisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la seal de controlactivada durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar,entre los terminales de salida del triac se sita una red RC cuya misin esproteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas que se puedanproducir por las corrientes inductivas de la carga, evitando adems cebados nodeseados.

Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipadorde calor constituido a base de aletas de aluminio de forma que el semiconductorse refrigere adecuadamente.

FIG.9

PARAMETROS DEL TRIAC

VALORES MAXIMOS (2N6071A,B MOTOROLA)

CARACTERISTICAS ELECTRICAS (2N6071A,B MOTOROLA)

DEFINICIN DE LOS PARMETROS DEL TRIAC

VDRM (Tensin de pico repetitivo en estado de bloqueo) = es el mximo valor de tensin admitido de tensin inversa, sin que el triac se dae.

IT(RMS) ( Corriente en estado de conduccin) = en general en el grafico se da la temperatura en funcin de la corriente.

ITSM (Corriente pico de alterna en estado de conduccin(ON)) = es la corriente pico mxima que puede pasar a travs del triac, en estado de conduccin. En general seta dada a 50 o 60 Hz.

I2t ( Corriente de fusin) = este parmetro da el valor relativo de la energa necesaria para la destruccin del componente.

PGM ( Potencia pico de disipacin de compuerta) = la disipacin instantnea mxima permitida en la compuerta.

IH ( Corriente de mantenimiento) = la corriente directa por debajo de la cual el triac volver del estado de conduccin al estado de bloqueo.

dV/dt ( velocidad critica de crecimiento de tensin en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento mximo permitido de la tensin en el nodo antes de que el triac pase al estado de conduccin. Se da a una temperatura de 100C y se mide en V/us.

tON ( tiempo de encendido) = es el tiempo que comprende lapermanencia y aumento de la corriente inicial de compuerta hasta que circule lacorriente andica nominal.

EXPERIMENTO DE LABORATORIO DEL TRIAC

OBJETIVOS DE LA PRCTICA

1. Conocimiento de los parmetros importantes del Triac.

2. Conocimiento de las tcnicas y los circuitos de medicin requeridos para la verificacin del Triac.

3. Verificacin de las especificaciones del Triac.

MATERIALES UTILIZADOS EN LA PRCTICA:

1. Tablero de prctica del Triac N4 del curso INTER-1.

2. Caja de componentes.

3. Osciloscopio.

4. Generador de audio frecuencia.

5. Dos fuentes de tensin variable(0-36 V) con limitacin de corriente.

6. Multmetro (2 Unidades).

7. Voltmetro electrnico.

8. Soldador.

DESARROLLO DEL EXPERIMENTO

1. Medicion de la tensin y corriente de encendido

1. Conectar el circuito de medicin descrito en la siguiente Fig.

Circuito de aplicacin:

2. Fijar VDD a la tensin de 12 V.

3. Fijar VGG a la tensin de 12 V.

4. Ajustar P1 a su valor mximo, verificar que el Triac no se encuentre en conduccin, si no es as presionar el interruptor S y as retornar al estado de bloqueo.

En caso de que este mtodo no funcione, apagar la fuente VDD y prenderla nuevamente

5. Disminuir el valor de P1 lentamente y observar la corriente y tensin de la compuerta. Anotar en la tabla 1 la tensin y corriente de encendido en el momento del paso a conduccin.

Repetir las mediciones varias veces. Es necesario anotar el resultado de las