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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Andrés Morocco Apfata
1. INTRODUCCION
2. OBJETIVOS
Electrónica de Potencia se refiere al control y conversión de la energíaeléctrica por medio de dispositivos semiconductores de potencia que trabajancomo interruptores. Con la llegada de los Rectificadores Controlados de Silicio(SCR), se empezó a desarrollar una nueva área de aplicación llamadaElectrónica de Potencia.
Andrés Morocco Apfata
2. OBJETIVOS
•Identificar los tipos más usados de tiristores.
•Describir el funcionamiento de los tiristores.
Esta sesión aporta al logro del siguiente Resultad o de la Carrera:
“Los estudiantes identifican, analizan y resuelven problema s detecnología”.
3. Dispositivos semiconductores de potencia
La mayor parte de los dispositivos semiconductores de potencia se fabricanen base a silicio y estos se pueden dividir en forma general en tres clases.
3.1 Diodos de potencia
- Diodos de propósito general.
- De alta velocidad (o recuperación rápida).
- Diodos schottky (especialmente importante a altas frecuencias)
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3.2 Transistores
3.3 Tiristores
- Diodos schottky (especialmente importante a altas frecuencias)
Utilizados en convertidores de potencia con frecuencias menores de 10 khz.
El tiristor es el semiconductor de potencia más robusto y fiable, ya que, adiferencia del transistor, puede soportar elevadas sobreintensidades durantetiempos reducidos.
El tiristor también conocido como Rectificador Controlado de Silicio (SCR) ,es undispositivo electrónico semiconductor de potencia que operan como conmutadorbiestable, tiene dos estados de trabajo: Bloqueo (no conducción) y Conducción .
Su comportamiento es similar al de un diodo, con la diferencia que cuenta conun tercer terminal, denominado Gate (compuerta) mediante el cual se puedeestablecer cuándo el elemento opera como un circuito abierto o como un circuito
EL TIRISTOR (SCR)
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establecer cuándo el elemento opera como un circuito abierto o como un circuitocerrado.
IA A K
CátodoÁnodo
Compuerta
P N P N
G
El símbolo, su composición y su circuito equivalente son:
CARACTERISTICAS GENERALES
Presentan dos estados de conmutación:
b) Estado de conmutación OFF = bloqueo.
a) Estado de conmutación ON = conducción.
La transición de OFF a ON se llama Disparo
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La transición de ON a OFF se llama Bloqueo
La transición de OFF a ON se llama Disparo
Para que exista conducción se han de dar simultáneamente las doscondiciones siguientes:
1. Tensión aplicada de polarización directa (tensión ánodo cátodo positiva, esdecir mas tensión en el ánodo que en el cátodo).
2. Aplicar un impulso de tensión positivo o una corriente adecuada en el terminalde control (compuerta).
Podemos representar el funcionamiento del Tiristor haciendo analogía con elsiguiente circuito hidráulico. (Presión ≈ Voltaje , flujo de agua ≈ corriente)
Andrés Morocco Apfata
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Simulación
K
G
AIA
IA
VAK Estado de bloqueo:
• Soporta tensión inversay tensión directa
• Si se introduce un pulso de corriente por compuerta (disparo)
Curva característica v-i de un tiristor
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VAKVBO
IG
corriente por compuerta (disparo)o la tensión alcanza el voltaje de ruptura directa V BO
Estado de conducción:
• Conduce corriente directay se mantiene en conducciónsiempre que la corriente estépor encima de I H
IH
IH = Corriente de mantenimiento
Apagado de un tiristor
Para apagar un tiristor, no basta con desconectar el voltaje de lacompuerta.La idea básica para apagar un tiristor es hacer que la corriente que circulaa través del mismo sea cero. Esto puede conseguirse de dos formas, talcomo se muestra a continuación:
IA=0
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INTERRUPCIÓNEN SERIE
IA=0
INTERRUPCIÓNEN PARALELO
IA=0
El apagado un tiristor también puede hacerse al tratar de hacer circular através de él una corriente inversa, conocida como “conmutación forzada”.Un forma de lograrlo es como se muestra a continuación:
Encen-
dido
TRANSISTOR QTRANSISTOR Q11
QQ11CIRCUITO DE
A
Apagado de un tiristor
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CIRCUITO DECONMUTACIÓN FORZADA
Apagado ApagadoIapa-gado
+
CIRCUITO DEENCENDIDO
G
K
ITmax : Máxima corriente que puede conducir (pico, RMS o promedio)
VDmax : Máximo voltaje entre ánodo o cátodo (inverso o directo en no conducción)
IGTmin : Corriente de compuerta mínima para producir el disparo
V : Voltaje compuerta - cátodo máximo
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE UN SCR
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VGTmax : Voltaje compuerta - cátodo máximo
Ihold min : Corriente de sostenimiento mínima
VFON : Voltaje ánodo - cátodo cuando está en conducción
dv/dt max : Máxima variación de voltaje admisible sin disparar
Medidas de Protección
Para proteger contra sobretensiones se usan elementosRC
Para proteger contra sobrecorrientes se usan fusiblessuperrápidos.
Tensión dealimentaciónUef/V
Resistencia Condensador
R/ΩΩΩΩ P/W C/µµµµF Uef/V
304560
125220
3.34.76.81527
0.50.50.50.51
0.10.10.10.10.1
7090
120190330
Valores recomendados para las redes RC de protecció n
Tipos de encapsulados
TO-48 TO-93 HT-23
PRUEBAS CON MULTÍMETRO EN “ESCALA DE DIODO”
A
GK
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Cable Rojo Multimetro Cable Negro Multimetro Valor Medido (V)
A K OL
K A OL
A G OL
G A OL
K G Valor pequeño ≠ 0
G K Valor pequeño ≠ 0
A
Aplicaciones de SCR (Rectificador Controlado Monofásico)
RV
V
VR
VT
DisparoDisparo
Ejemplo: Control de fase
αααα
VR
VT
Cuando el tiristor recibe un pulso de corriente en la puerta comienza a conducir, siempre y cuando tenga polarización directa entre ánodo y cátodo
Controlando el ángulo de disparo αααα controlamos la energía que pasa
Aplicaciones • Donde se tenga que controlar grandes voltaje y corrientes.
• Convertir corriente alterna a corriente continua o viceversa.
• Accionamientos de motores eléctricos.
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• Fuentes de alimentación.
• Cargadores de baterías.
• Control de temperatura.
• Variadores de velocidad de motores.
Tiristores BidireccionalesEl Diac y el Triac son tiristores bidirecionales. Estos dispositivos pueden conduciren cualquier dirección.
El DIAC es una combinación paralela inversa de dos terminales de capassemiconductoras, que permiten dispararse en cualquier dirección.
A continuación se representan sus características de operación y sus símbolo yestructura típicos:
I Ánodo1 A A
VF
IA
VBR
IBR
IBR
VBR
N1
N2
N3
P1
P2
Ánodo1
Ánodo2
A1 A2
A1 A2
EL TRIAC
El TRIAC es prácticamente un DIAC, pero con un terminal de compuerta parapoder controlar las condiciones de encendido. La principal característica esque puede controlar el flujo de corriente en ambos sentidos.
Sus características respecto del DIAC cambian en el primer y tercercuadrante, tal como se muestra a continuación:
IA Ánodo2A2
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VF
IA
IBRVBR
IBRVBR
N4
N2
N1
P2
P1N3
N5
Ánodo1Compuerta
A1
A2
G
Circuito de Aplicación
Un circuito bastante común para disparar un TRIAC a través de un DIAC es elque se muestra a continuación:
Ve
A2RLIL
IL
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t
R
C
VCA1 A2
A1G
Rt
Tipos / designación Conforme a las normas
Término común Símbolo
Tiristor diodo unidireccional Diodo de cuatro capas
Tiristor triodo unidireccionalControlable por el lado del ánodo
Tiristor (SCR)
Tiristor triodo unidireccionalControlable por el lado del cátodo
Tiristor (SCR)
TIPOS DE TIRISTORES
Controlable por el lado del cátodo
Tiristor triodo de apagado GTO
Tiristor diodo bidireccional Diac
Tiristor triodo bidireccional Triac