3-1 Diplomado en Electronica de Potencia

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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COMALCALCO INGENIERIA EN MECATRÓNICA ASIGNATURA ELECTRONICA II DOCENTE : M.C. Juan Carlos Yris Pastor COMALCALCO, TAB. FEBRERO 2011

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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE

COMALCALCO

INGENIERIA EN MECATRÓNICA

ASIGNATURA

ELECTRONICA II

DOCENTE : M.C. Juan Carlos Yris Pastor

COMALCALCO, TAB. FEBRERO 2011

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I N D I C E

Introducción

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1.- EL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) 2 1.1 Circuito Equivalente 2 1.2 Encendido del SCR 3 1.3 Apagado del SCR 4 1.4 Características y rango del SCR 5 1.5 Aplicaciones de los SCR 7 1.5.1 Control de corriente en encendido –apagado 7 1.5.2 Control de potencia en media onda 8 1.5.3 Sistemas de iluminación para interrupciones de potencia 9 1.5.4 Circuito de protección contra sobre voltaje 10 2.- EL DIAC Y EL TRIAC 12 2.1 Diac 12 2.2 Triac 13 2.2.1 Aplicaciones 15 3.- EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA (UJT) 15 3.1 Circuito Equivalente 16 3.2 Razón de espera 16 3.3 Aplicaciones 18 3.4 Condiciones para el encendido y apagado 20 3.5 Ejercicio de practica 21 4.- EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA PROGRAMABLE (PUT) 21 4.1 Establecimiento del voltaje de disparo 23 4.2 Aplicaciones 23 5.- DISPOSITIVOS ACTIVADOS POR LUZ 23 5.1 El fototransistor 23 5.2. Fotodarlington 25 5.2.1 Aplicaciones 26 5.3 El SCR activado por luz (LASCR) 27 6.- ACOPLADORES OPTICOS 27 6.1. Características eléctricas 28 ANEXO 29 BIBLIOGRAFIA:

A) DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Thomas L. Floyd Editorial Limusa-Noriega Capitulo 11.- Tiristores y dispositivos especiales

B) ELECTRÓNICA Industrial Moderna Timonthy J. Maloney Editorial Prentice-Hall

Capitulo 6.- Los triac y otros tiristores

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INTRODUCCION

La historia de la electrónica de potencia empezó en el año de 1900, con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego se descubre el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al vacío de rejilla controlada, el ignitrón, el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos tuvieron su aplicación en el control de la energía hasta la década de 1950.

La primera revolución electrónica tiene su inicio en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories. La mayoría de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en este descubrimiento. En 1956, el mismo laboratorio, incorporo el transistor de disparo PNPN, que se definió como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR).

La Segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. En la actualidad la revolución de la electrónica de potencia nos está dando la capacidad de formar y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor.

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble compuerta y el tiristor bloqueado por compuerta (GTO). Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que lo atraviesa con la caída de tensión entre las terminales principales. El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos:

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

• Poder controlar el cambio de un estado a otro estado con facilidad y pequeña potencia. • Ser capaces de soportar grandes corrientes y altos voltajes cuando está en estado de

bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus terminales, cuando está en estado de conducción. Ambas, condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por lo tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

• Soldadura al arco • Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI o UPS) • Control de motores • Tracción eléctrica

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Semiconductores de baja Potencia

Dispositivos Corriente Máxima SCR 0.8 a 40 Ampers a 1200v Triac 0.8 a 40 Ampers a 800V

Mosfet 2 a 40 Ampers a 900V 1.- EL RECTIFICADOR CONTROLADOR DE SILICIO (SCR) El rectificador controlado de silicio (SCR) es otro dispositivo pnpn de cuatro capas semejante al diodo shockley, sólo tiene tres terminales: el ánodo, el cátodo y la compuerta. Así como el diodo shockley, el SCR tiene dos estados posibles de operación, en el estado apagado actúa idealmente como un circuito abierto entre el ánodo y el cátodo; en realidad, en vez de haber un circuito abierto, existe una resistencia muy alta. En el estado encendido, el SCR actúa idealmente como un corto circuito del ánodo al cátodo; en realidad se tiene una pequeña resistencia (en directa). El SCR se utiliza en muchas aplicaciones, la cual incluye control de motores, circuitos de retraso de tiempo, controles de calefacción, controles de fase y controles de relevadores, por mencionar unas cuantas de ellas. En las figuras 1-(a) y (b) se muestra la estructura básica y el símbolo esquemático del SCR, respectivamente.

1.1 Circuito Equivalente del SCR La operación del SCR puede entenderse mejor si su estructura interna pnpn se concibe como un arreglo con dos transistores, como se muestra en la figura 2. Esta estructura es semejante a la del diodo shockley, excepto por la conexión de las compuertas. La capa superior pnp opera como un transistor Q1, y las capas inferiores npn lo hacen como uno Q2 Observe que las capas intermedias se “comparten”.

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1.2 Encendido del SCR Cuando la corriente de la compuerta IG es cero como se muestra en la figura 3-(a), el dispositivo opera como un diodo shockley en el estado de apagado. En este estado, la resistencia es muy elevado entre el ánodo y el cátodo puede aproximarse por un interruptor abierto, como se indica. Cuando se aplica un pulso positivo de corriente (disparo) a la compuerta, ambos transistores se encienden (el ánodo de ser más positivo que el cátodo). Esta acción se muestra en la figura 3-(b). La IB2 enciende a Q2, proporcionando una trayectoria para IB1 hacia el colector del Q2, encendiendo así al Q1. La corriente de colector de Q1 proporciona corriente de base adicional para el Q2, que continua en conducción hasta que el pulso de disparo se remueve de la compuerta. Mediante esta acción generativa, el Q2 sostiene la conducción saturada del Q1, proporcionando una trayectoria para IB1; a su vez, el Q1 sostiene la conducción saturada del Q2, proporcionando una trayectoria para IB2 . De esta manera, el dispositivo permanece encendido (se amarra) una vez que se le dispara, como se muestra en la figura 3-(c). En este estado, la resistencia muy baja entre el ánodo y el cátodo puede aproximarse por un interruptor cerrado, como se indica. Así como el diodo shockley, el SCR también puede encenderse sin disparar, la compuerta, mediante un incremento de voltaje ánodo –cátodo hasta el valor que exceda al voltaje de ruptura en directa VDRM, como sé muestra en la curva característica de la figura 4-(a). El voltaje de ruptura en directa decrece cuando IG aumenta por arriba de 0V, sé muestra en la curva de la figura 4-(b). Finalmente se alcanza un valor de IG el cual el SCR se enciende en un voltaje ánodo-cátodo muy bajo. Así, como puede verse, la corriente de la compuerta controla el valor del voltaje en directa VBRM necesario para el encendido. Aunque voltaje ánodo-cátodo grandes de VBRM no daña al dispositivo si se limita la corriente, debe evitarse esta situación, pues se pierde control normal de SCR, que siempre debe dispararse a encendido sólo con un pulso en la compuerta.

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1.3 Apagado del SCR Cuando la compuerta regresa a 0V después de removerse el pulso de disparo, el SCR no puede apagarse y permanece en la región de conducción en directa. La corriente del ánodo debe caer por abajo del valor de la corriente de retención, IH, como objeto de que pueda ocurrir el apagado. La corriente de retención se indica en la figura 4. Hay dos métodos básicos para apagar un SCR: interrupción de la corriente del ánodo y conmutación forzada. La corriente del ánodo puede interrumpirse mediante un arreglo de conmutación momentáneo en serie o paralelo, como se muestra en la figura 5-(a). El interruptor en serie reduce simplemente a cero la corriente del ánodo y provoca que se apague el SCR. El interruptor en paralelo de la figura 5-(b). Aleja parte de la corriente total de SCR, reduciendo así la corriente del ánodo hasta un valor inferior a IH.

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El método de conmutación forzada requiere básicamente forzar a la corriente de manera momentánea a través del SCR, en dirección opuesta ala conducción directa, de modo que la corriente en directa neta se reduzca por abajo del valor de retención. El circuito básico, como se muestra en la figura 6, consta de un interruptor (normalmente un interruptor transistorizado) y una batería en paralelo con el SCR. Mientras el SCR conduce, el interruptor esta abierto, como se muestra en la figura 6-(a). Para apagar al SCR, se cierra el interruptor, colocando la batería a través del SCR y forzando corriente a través de él, opuesta ala corriente en directa, como se muestra en la figura 6-(b). Por lo general, los tiempos de apagado para los SCR van desde unos cuantos microsegundos hasta alrededor de 30 μs.

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1.4 Características y rango del SCR A continuación se presentara la definición de algunas de las características y rangos más importantes del SCR. Consulte la curva de la figura 4-(a) cuando sea conveniente. Voltaje de ruptura en directa, VDRM PEAK REPETITIVE REVERSE BLOCKING VOLTAJE (SCR) Se trata del voltaje en el cual el SCR entra a la región de conducción en directa. El valor de VDRM es máximo cuando IG = 0 y se designa por VDRM0. Cuando al corriente de la compuerta se incrementa, el VDRM desciende y se designa por VDRM1, VDRM2 y así sucesivamente para escalones crecientes en la corriente de compuerta (IG1, IG2, etc.). Corriente de retención, IH HOLDING CURRENT Este es el valor de la corriente del ánodo por abajo del cual el SCR conmuta desde la región de conducción en directa hasta la región de bloqueo en directa. Su valor crece con decrementos de IG y es máximo para IG = 0.

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Corriente de disparo en la compuerta, IGT PEAK BLOCKING CURRENT (TRIAC ) Este es el valor de la corriente de la compuerta necesaria para conmutar(encender) el SCR desde la región de bloqueo en directa hasta la región de conducción en directa bajo condiciones especificadas. Corriente en directa promedio, IT(AV) AVERAGE ON –STATE CURRENT Esta es la máxima corriente continua (cd) del ánodo que el dispositivo puede soportar en el estado de conducción bajo condiciones especificadas. Región de conducción en directa Esta región a la condición de encendido del SCR donde existe corriente en directa del ánodo al cátodo, a través de la resistencia muy baja (aproximadamente corto circuito) del SCR. Regiones de bloqueo en directa y en inversa Estas regiones corresponden a la condición de apagado del SCR, donde la corriente en directa del ánodo al cátodo es bloqueada por el circuito abierto efectivo del SCR. Voltaje de ruptura en inversa, VRRM PEAK REPETITIVE REVERSE BLOCKING VOLTAJE (SCR) Este parámetro especifica el valor del voltaje en inversa del cátodo al ánodo, en el cual el dispositivo irrumpe en la región de avalancha y comienza a conducir intensamente (igual que el diodo de unión pn). 1.5 Aplicaciones del los SCR El SCR tiene muchos usos en las áreas de control de potencia y aplicación de conmutación. En esta sección se describe unas cuantas de sus aplicaciones básicas. 1.5.1 Control de corriente en encendido –apagado En la figura 7 se muestra un circuito SCR que permite que la corriente conmute a una carga por el cerrado momentáneo del interruptor S1 y se remueva de la carga por el cerrado momentáneo del interruptor S2 .Suponiendo que inicialmente el SCR se encuentre apagado entonces el cerrado momentáneo del S1 proporciona un pulso de corriente hacia la compuerta, disparando así a encendido al SCR, de modo que conduzca corriente a través de RL. El SCR permanece en conducción aun después que se remueve el contacto momentáneo del S1. Cuando el S2 se sierra momentáneamente, la corriente se desvía alrededor del SCR, reduciendo así su corriente de carga acero.

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1.5.2 Control de potencia en media onda Una aplicación común de los SCR se encuentra en el control de potencia de ca para controles en intensidad luminosa en lámparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos. En la figura 8 se muestra un circuito de control de fase, con resistencias variables para media onda; en la terminal A y B se aplica 120 Vca; RL representa la resistencia de la carga (por ejemplo, un elemento calefactor o el filamento de una lámpara). R1 es una resistencia limitadora de corriente y el potenciometro R2 establece el nivel de disparo para el SCR. Ajustando R2 es posible hacer que el SCR se dispare en cualquier punto del semiciclo positivo de la forma de onda de ca, entre 0º y 90º, ver la figura 9. Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente en 0º ) como se muestra en la figura 9-(a), conduce durante aproximadamente 180º y se entrega potencia máxima a la carga. Cuando se enciende cerca del pico del semiciclo positivo (90º) como en la figura 9-(b), el SCR conduce durante aproximadamente 90º y se entrega menos potencia a la carga. Ajustando el R2 es posible hacer que el disparo ocurra en cualquier parte entre los dos extremos

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mencionados y por lo tanto que sea posible entregar a la carga una cantidad variable de potencia. En la figura 9-(c) se muestra el disparo en el punto de 45ºcomo ejemplo. Cuando la entrada de ca se hace negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez sino asta el punto de disparo en el siguiente semiciclo positivo. El diodo evita que el voltaje de ca negativo se aplique a la compuerta del SCR.

1.5 3 Sistema de iluminación para interrupciones de potencia Como otro ejemplo de aplicación de los SCR se analizará un circuito que mantiene la iluminación mediante el empleo de una batería de respaldo cuando se presenta una falla en la alimentación de potencia de ca. En al figura 10 se muestra un rectificador de onda completa con derivación central, usado para proporcionar potencia de ca a una lámpara de bajo voltaje. Mientras se disponga de potencia de ca, la batería se carga a través del diodo D3 y R1. El voltaje de cátodo del SCR se establece cuando el capacitor se carga hasta el valor pico de la ca rectificada de onda completa (6.3 V rms (eficaz) menos que la caída a través de R2 y D1). El ánodo se encuentra al voltaje de la batería de 6 V, que lo hace menos positivo que el cátodo,

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evitando así conducción. La compuerta del SCR se encuentra en un voltaje establecido por el divisor de voltaje, formado por R2 y R3. En estas condiciones, la lámpara se ilumina por la potencia de entrada de ca y el SCR esta apagado, como se muestra en la figura 10-(a). Cuando hay una interrupción de la potencia de ca, el capacitor se descarga a través de al trayectoria cerrada D3, R1 y R3, haciendo que el cátodo sea menos positivo que el ánodo o que la compuerta. Esta acción establece una condición de disparo y el SCR comienza a conducir. La corriente procedente de la batería pasa a través de SCR y la lámpara, manteniendo así la iluminación, como se muestra en la figura 10-(b). Cuando se establece la potencia de ca, el capacitor se recarga y el SCR se apaga, comenzado a recargarse la batería.

1.5.4 Circuito de protección contra sobrevoltaje En la figura 11 se muestra un circuito de protección contra sobrevoltaje sencillo, denominado algunas veces circuito de “barreta” (crowbar), en una fuente de alimentación de cd. El voltaje de salida de cd del regulador es monitoreado por el diodo zener D1 y el divisor de voltaje resistivo (R1 y R2). El límite superior de voltaje es establecido por el voltaje zener. Si se excede el

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voltaje, el diodo zener conduce y el divisor de voltaje produce un voltaje de disparo del SCR. Este voltaje activa al SCR, que esta conectado a través del voltaje de línea. La corriente del SCR provoca que se queme el fusible, desconectando así el voltaje de línea proveniente de la fuente de alimentación. Algunas veces la protección de sobre voltaje es indispensable. Aplicaciones para un pequeño tiempo del orden del 10% por encima de los rangos máximos es poco seguro, pero un sobre voltaje de factor de dos es destructivo para dispositivos semiconductores. Todos los circuitos integrados en un instrumento pueden ser destruidos por un transitorio de sobre carga de voltaje.

El circuito de una protección contra sobrevoltaje simple y eficaz que es el “crowbar” con el SCR. Cuando se le conecta la corriente al circuito, el SCR normalmente esta apagado, la corriente fluirá a través del diodo Zener seguidamente esta corriente entrará a la compuerta del SCR y se activara. El SCR permanece encendido hasta que el suministro de poder se apaga. Los sobrevoltajes negativos están limitados por el diodo invertido. El valor del SCR seleccionado debe exceder la corriente de sobrevoltaje máximo esperado.

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2. - EL DIAC Y EL TRIAC El diac y el triac son tipos de tiristores capases de conducir corriente en ambas direcciones (bilaterales), la diferencia entre ambos es que el diac cuentan con dos terminales, el ánodo y el cátodo, mientras que el triac tiene una tercera terminal que es la compuerta. El diac funciona básicamente como dos diodo shockley conectado en paralelo en direcciones opuestas. El triac funciona básicamente como dos SCR conectados en paralelo en direcciones opuestas con una terminal de compuerta común. 2.1 Diac En la figura 12 se muestra la construcción básica y el símbolo esquemático del diac. Observe que hay dos terminales, identificadas como A1 y A2. En el diac la conducción ocurre cuando se alcanza el voltaje de ruptura, con cualquier polaridad, a través de las dos terminales. Estas características se ilustran en la curva de la figura 13. Una vez que ocurre la ruptura, la corriente fluye en una dirección que depende de la polaridad del voltaje en las terminales. El dispositivo se apaga cuando la corriente cae por abajo del valor de retención.

El circuito equivalente de un diac consta de cuatro transistores dispuesto como se ilustra en la figura 14-(a). Cuando el diac está polarizado como la figura 14-(b), la estructura pnpn desde A1 hasta A2 proporciona la operación del dispositivo con cuatro capas, como se describió para el diodo shockley. En el circuito equivalente, Q1 y Q2 están polarizado en directa y Q3 y Q4 lo están en inversa. En esta condición de polarización, el dispositivo opera en la porción superior derecha de la curva característica en la figura 13. Cuando el diac está polarizado como se muestra en la figura 14-(c), se usa la estructura pnpn desde A2 hasta A1. En el circuito equivalente, Q3 y Q4

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están polarizados en directas y Q1 y Q2 lo está en inversa. El dispositivo opera en la porción inferior izquierda de la curva característica, como se muestra en la figura 13.

2.2 Triac El triac es como un diac con una terminal de compuerta. El triac puede encenderse mediante un pulso de corriente de compuerta y no requiere voltaje de ruptura para iniciar la conducción, como el diac. Básicamente, el triac puede concebirse simplemente como dos SCR conectados en paralelos y en direcciones opuestas, con una terminal de compuerta común. A diferencia del SCR, el triac es capas de conducir corriente en cualquier dirección, cuando se le dispara a encendido, dependiendo de la polaridad del voltaje a través de sus terminales A1 y A2, en la figura 15-(a) y (b) se muestra la construcción básica y el símbolo esquemático para el triac. En la figura 16 se muestra la curva característica. Observe que el potencial de ruptura decrece cuando la corriente de compuerta aumenta, justamente con el SCR.

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Así como otros dispositivos con cuatro capas, el triac deja de conducir cuando la corriente del ánodo cae por debajo de un valor especificado de la corriente de retención, IH. La única forma de apagar el triac es reduciendo la corriente hasta un nivel suficientemente bajo. En la figura 17 se muestra el triac disparando en ambas direcciones de retención de conducción. en la parte (a), la terminal A1 está polarizada positivamente con respecto a la terminal A2 demodo que el triac conduce como se muestra cuando se le dispara por un pulso positivo en la terminal de la compuerta. El circuito equivalente con transistores en la parte (b) muestra que Q1 y Q2 conducen cuando se aplica un pulso de disparo positivo. En la parte (c) la terminal A2 está polarizado positivamente con respecto a la terminal A1, de modo que el triac conduce como se indica. En este caso, Q3 y Q4 conduce, como se muestra en la parte(d), por la aplicación de un pulso de disparo positivo.

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2.2.1 Aplicaciones Así como el SCR, los triacs también se usan para controlar potencia promedio en una carga mediante el método de control de fase. El triac es capaz de dispararse de modo que la potencia de ca se suministre a la carga durante una porción controlada de cada semiciclo. Durante cada semiciclo positivo de la ca, el triac esta apagado durante un cierto intervalo, de nominado ángulo de retardo (medido en grados), luego se dispara a encendido y conduce corriente a través de la carga durante la porción restante del semiciclo positivo, denominado ángulo de conducción. Durante el semiciclo negativo ocurre una acción semejante salvo que, por supuesto, la corriente circula en dirección opuesta a través de la carga. Esta acción se ilustra en la figura 18

En la aplicación en el circuito de control de fase es necesario que el triac se apague al finalizar cada semiciclo positivo y negativo de la ca. En la figura 19 se ilustra que hay un intervalo cerca de cada cruce por 0 en donde la corriente del triac cae por abajo del valor de retención, apagando así al dispositivo.

3. - EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA (UJT) El transistor de unijuntura no pertenece a la familia de los transistores por que su tipo de construcción no es de cuatro capas. El termino de unijuntura se refiere al hecho de que el UJT tiene una sola unión pn. Como se verá, el UJT es de utilidad en ciertas aplicaciones de osciladores y como dispositivo de disparo en circuitos tiristores.

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El transistor de unijuntura (UJT, de unijunction transistor) es un dispositivo con tres terminales cuya construcción básica se muestra en la figura 20-(a); en la figura 20-(b) se muestra su símbolo esquemático. Observe que las terminales están identificadas como emisor, base 1 (B1) y base 2 (B2) no confunda este símbolo con el del JFET; la diferencia es que la flecha forma un ángulo para el UJT. El UJT tiene sólo una unión pn y, por tanto, la curva característica de este dispositivo difieren mucho de las del transistor de unión bipolar o del FET, como se verá.

3.1 Circuito Equivalente El circuito equivalente para el UJT, que se muestra en la figura 21-(a), ayudará a comprender la operación básica. El diodo mostrado en la figura representa la unión pn;rB1representa la resistencia volumétrica interna de la barra de silicio entre el emisor y la base 1, y rB2 representan la resistencia volumétrica entre el emisor y la base 2. La suma rB1 + rB2 es la resistencia total entre las terminales de base que se denomina resistencia de interfaces, rBB. rBB = rB1 + rB2 El valor de rBB varía inversamente con la corriente del emisor IE y, en consecuencia, se muestra como un resistor variable. Dependiendo de IE, el valor de rB1 puede variar desde varios miles de ohms. rB1 y rB2 forman un divisor de voltaje cuando el dispositivo se polariza como se indica en la figura el voltaje en las resistencias rB1 puede expresarse como:

3.2 Razón de espera La razón r B1/ rBB es una característica del UJT, denominada razón de espera intrínseca y designada como η (letra griega eta).

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η= rB1 / rBB Mientras el voltaje de emisor aplicado VEB1 sea menor que VrB1 + Vpn no hay corriente de emisor, ya que la unión pn no está polarizada en directa (Vpn es el potencial de barrera de la unión pn). E valor del voltaje de emisor que origina que la unión pn se polarice en directa se denota VP (voltaje de punto pico) y se expresa como: Vp = η VBB + Vpn Cuando VEB1 alcanza el valor del VP, la unión pn se polariza en directa y comienza la IE. Se inyectan huecos en la barra tipo n, procedente del emisor tipo p. este aumento en hueco origina un incremento de electrones libres, elevando así la conductividad entre el emisor y B1 (descenso en rB1). Después de pasar a encendido, el UJT opera en región de resistencias negativas hasta cierto valor de IE, como se muestra en la curva característica en la figura 22. Como puede verse, después del punto pico (VE= VP e IE = IP), VE decrece mientras IE continúa creciendo, produciendo así la característica de resistencia negativa. Más allá del punto valle(VE = VV e IE = IV), el dispositivo está en saturación y VE crece muy poco al crecer IE.

Ejemplo: En la hoja de datos de UJT se proporciona η = 0.6.determine el voltaje de emisor de punto pico VP sí VBB = 20 V. Solución : VP = ηVBB + Vpn = 0.6 (20 V) + 0.7 V = 12.7 V.

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3.3 Aplicaciones con UJT A menudo, el UJT se usa como dispositivo de disparo para el SCRs y triacs. Otras aplicaciones incluyen osciladores no sinusoidales, generadores de dientes de sierra, control de fase y circuitos de sincronización. En la figura 23 se muestra un oscilador de relajación con UJT como ejemplo de una aplicación. Este tipo de circuito también es básico para otro circuito de disparo y sincronización. La operación es como sigue. Cuando se aplica la potencia de cd, el capacitor C se carga exponencialmente a través de R1 hasta que alcanza el voltaje pico VP. En este punto, la unión pn se polariza en directo y la característica de emisor pasa a la región de resistencia negativa (VE decrece IE crece). Luego, el capacitor se descarga rápidamente a través de la unión polarizada en directa, rB, y R2. Cuando el voltaje del capacitor desciende hasta el voltaje del punto valle VV, el UJT se apaga, el capacitor comienza a cargarse nuevamente y el ciclo se repite, como se muestra en la forma de onda de voltaje de emisor de la figura 24 (parte superior). Durante el tiempo de descarga del capacitor, el UJT conduce; por consiguiente, en R2 se desarrolla un voltaje, como se indica en el diagrama de onda de la figura 24 (parte inferior). Otro ejemplo de una aplicación del transistor que incluye un UJT, un triac, un transistor bipolar y diodo en el circuito de control de un calentador sensible a la temperatura que se muestra en la figura 26. La operación básica es como sigue. El voltaje de la línea de ca es rectificado en onda completa por el puente constituido por los diodos D1 a D4. La salida del puente se aplica al circuito de control a través de R1 y se sujeta un valor fijo por el diodo zener. El transmisor (resistencia sensible a la temperatura) RT y la resistencia R2 controla la polarización de Q1. R2 se ajusta de modo que el transistor Q1 se apague a una temperatura predeterminada. Cuando Q1 está apagado, el capacitor C1 está descargado y, por tanto, el UJT (Q2) y el triac está apagado. Cuando la temperatura desciende por abajo del valor establecido, la resistencia de RT se incrementa, haciendo que Q1 se conduzca. Lo anterior permite que C1 se cargue hasta un voltaje suficiente para disparar al UJT. El pulso de salida resultante en el UJT se acopla a través del transformador y dispara al triac, que conduce corriente a través del elemento calefactor (carga). Cuando este elemento se calienta, su resistencia crece hasta que la corriente desciende por abajo del nivel de retención del triac, apagándolo. Si la temperatura continúa descendiendo, entonces la resistencia de RT se incrementa más y hace que Q1 conduzca con más intensidad, cargando así

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con mayor rapidez al C1. Esto dispara más pronto al triac en el ciclo de ca, de modo que se entrega más potencia a la carga. Cuando la temperatura se eleva, la resistencia de RT decrece, provocando que Q1 conduzca menos.

Como resultado, el C1 tarda más en cargarse y el triac se dispara más tarde en el ciclo de ca, de modo que se entrega menos potencia a la carga. Cuando se alcanza la temperatura deseada, se apaga el Q1 y también el triac, no entregándose más potencia a la carga.

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3.4 Condiciones para encendido y apagado Para que el UJT se encienda y apague de manera confiable, el oscilador de relajación en la figura 23 debe de cumplir ciertas condiciones. En primer lugar, a fin de asegurar el encendido, R1 no debe limitar a IE en el punto pico a un valor menor que IP. Para asegurar lo anterior, la caída de voltaje en R1 en el punto pico debe ser mayor que IPR1. Así la condición para el encendido es VBB – VP > IPR1 o bien, R1 < VBB – VP / IP A fin de asegurar el apagado del UJT en el punto valle, R1 debe ser lo suficientemente grande para que IE (en el punto valle) pueda decrecer por debajo del valor especificado de IV. Lo anterior significa que el voltaje en R1 en el punto valle debe ser menor IVRI. Así, la condición para el apagado es VBB – VV < IV R1 o bien, R1 > VBB – VV / IV De este modo, para encendido y apagado correctos, debe quedar en el rango VBB – VP / IP > R1 VBB – VV / IV

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Ejemplo Determine un valor de R1 en la figura 25 que asegure encendido y apagado correctos del UJT. La característica del UJT presenta los siguientes valores: η = 0.5, VV = 1 V, IV =10 mA, IP = 20 μA y VP = 14 V. Solución :

Como puede de verse, R1 tiene un rango muy amplio de valores posibles. EJERCICIO DE PRÁCTICA Determine un valor de R1 en la figura 25 que asegure encendido y apagado correcto para los siguientes valores: η = 0.33, VV = 0.8, IV = 15mA, IP = 35μA y VP = 18 V.

4.- EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA PROGRAMABLE (PUT) El transistor de unijuntura programable (PUT) es en realidad un tipo de transistor, totalmente distinto al UJT en términos de estructura. La única semejanza con el UJT es que el PUT puede usarse en algunas aplicaciones de circuitos osciladores para sustituir al UJT. El PUT se parece más a un SCR, salvo que su voltaje ánodo-compuerta puede usarse para encender y apagar el dispositivo.

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La estructura del PUT es semejante a la del SCR (cuatro capas), salvo que se elimina la compuerta como se ilustra en la figura 27, observe que la compuerta está conectada a la región n adyacente al ánodo. Esta unión pn controla los estados encendidos y apagados del dispositivo. La compuerta está siempre polarizada positivamente con respecto al cátodo. Cuando el voltaje del ánodo excede al de compuerta aproximadamente en 0.7 V, la unión pn se polariza en directa y el PUT se enciende. El PUT permanece encendido hasta que el voltaje del ánodo cae por debajo de este nivel; entonces se apaga.

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4.1 Establecimiento del voltaje de disparo La compuerta puede polarizarse hasta un voltaje deseado mediante un divisor de voltaje extremo, como se muestra en la fig.28-(a), de modo que cuando el voltaje del ánodo excede a este nivel “ programado”, el PUT se enciende. 4.2 Aplicaciones La gráfica de voltaje ánodo-cátodo VAK contra la corriente del ánodo IA en la figura 28-(b) revela una curva característica semejante a la del UJT. Por consiguiente, el PUT sustituye al UJT en muchas aplicaciones. Una de estas es el oscilador de relajación en la figura 29-(a). Su operación básica es como sigue. La compuerta se polariza a +9 V por medio del divisor de voltaje formado por los resistores R2 y R3. Cuando se aplica la potencia de cd, el PUT está apagado y el capacitor se carga hacia +18 V a través de R1. Cuando el capacitor alcanza el valor de VG + 0.7 V, el PUT se enciende y el capacitor se descarga rápidamente a través de la baja resistencia en encendido del PUT y R4. Durante la descarga, en R4 se desarrolla una punta de voltaje. Tan pronto como el capacitor se descarga, el PUT se apaga y el ciclo de cargado se reinicia, como muestra las formas de onda en la figura 29-(b).

5.- DISPOSITIVOS ACTIVADOS POR LUZ Esta forma de accionar un semiconductor es utilizada ampliamente en las aplicaciones industriales, ya que ofrece las características de sencillez y confiable. 5.1. El fototransistor El fototransistor tiene una unión pn colector-base fotosencible. Se expone a la luz incidente a través de una abertura de lentes en el encapsulado del transistor. Cuando no hay luz incidente, ICEO; lo anterior se denomina corriente oscura y suele estar en el rango de los nA. Cuando sobre

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la unión pn colector-base incide la luz, se produce una corriente de base Iλ directamente proporciona a la intensidad de la luz. Esta acción produce una corriente de colector que aumenta con Iλ. Salvo que la forma en que se genera la corriente de base, el fototransistor se comporta como un transmisor bipolar convencional. En muchos casos no hay conexión eléctrica a la base. La relación entre la corriente de colector y la corriente de base generada por luz en un fototransistor es: IC = βcd Iλ En la figura 30 de muestra el símbolo esquemático y algunos fototransistores comunes. En virtud de que la verdadera fotogeneración de la corriente de base ocurre en al región colector-base, mientras mayor sea el área física de esta región más corriente de base se genera. Así, un fototransistor típico se diseña para presentar una gran área a la luz incidente, como se ilustra en diagrama estructural simplificado en la figura 31. Un fototransistor puede ser un dispositivo con dos o tres puntos. En la configuración con tres puntas se elimina el conector de la base, de modo que el dispositivo pueda usarse como transistor bipolar convencional con o sin la característica adicional de foto sensibilidad. En la configuración con dos puntas la base no está disponible eléctricamente y el dispositivo solo puede utilizarse con luz como entrada. En muchas aplicaciones, el fototransistor se usa en la versión con dos puntas. En la figura 32 se muestra un fototransistor y curvas características del colector. Observe que cada curva individual en la grafica corresponde a un cierto valor de intensidad luminosa (en este caso, las unidades son mW/ cm2), y que la corriente del colector aumenta con la intensidad luminosa. Los fototransistores no son sensibles a todo el espectro luminoso sino solamente a luz cuya longitud de onda se encuentra en cierto rango. Son más sensibles a longitudes de onda particulares, como se muestra por el pico de la curva de respuesta espectral en la figura 33.

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5.2 El fotodarlington El fotodarlington consta de un fototransistor conectado en un arreglo darlington con un transistor convencional, como se muestra en la figura 34. Debido a la mayor ganancia de corriente, este dispositivo tiene una corriente de colector mucho más elevada y presenta mayor sensibilidad a la luz que un fototransistor normal.

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5.2.1 Aplicaciones Los fototransistores se usan en una amplia variedad de aplicaciones de las cuales en esta sección se presentarán unas cuantas. En la figura 35 se muestra un circuito relevador operado por luz. El fototransistor Q1 acciona al transistor bipolar Q2. Cuando sobre Q1 incide suficiente luz, el transistor Q2 es excitado hacia saturación y la corriente del colector a través de la bobina del relevador energiza al relevador. En la figura 36 se muestra un circuito en el cual un relevador es de desenergizado por luz incidente sobre el fototransistor. Cuando hay luz insuficiente, el transistor Q2 se polariza a encendido, manteniendo energizado al relevador. Cuando hay luz suficiente, el fototransistor Q1 se enciende; lo anterior baja la base de Q2, apagando así a Q2 y desenergizando al relevador. Estos circuitos relevadores pueden usarse en una variedad de aplicaciones como activadores de puertas automáticas, contadores de procesos y varios sistemas de alarmas en la figura 37 se ilustra otra aplicación sencilla. El fototransistor está normalmente encendido, manteniendo baja la compuerta del SCR. Cuando se interrumpe la luz, el fototransistor se apaga. La transición hacia arriba sobre el colector dispara al SCR y apaga el mecanismo de alarma. El interruptor de contacto momentáneo S1 proporciona el restablecimiento de la alarma. Dos aplicaciones posibles de este circuito son la detención de humo e intrusos.

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5.3.- El SCR activado por luz (LASCR) El rectificador controlador de silicio activado por luz (LASCR) opera esencialmente como el SCR convencional, salvo que también puede ser disparado por luz. La mayor parte de los LASCR cuenta con una terminal de compuerta disponible, de modo que el dispositivo también puede dispararse mediante un pulso eléctrico, justamente como el SCR convencional. En la figura 38 se muestra el símbolo esquemático y encapsulado típico del LASCR. El LASCR es más sensible a la luz cuando la terminal de compuerta está abierta. En caso de ser necesario, a fin de reducir de reducir la sensibilidad es posible usar una resistencia desde la compuerta hasta el cátodo. En la figura 39 se muestra un LASCR usado para energizar un relevador de sujeción. La fuente de entrada enciende la lámpara y la luz incidente resultante dispara al LASCR. La corriente del ánodo energiza al relevador y cierra el contacto. Observe que la fuente de entrada está aislada eléctricamente del resto del circuito.

6.- ACOPLADORES ÓPTICOS Los acopladores ópticos se diseñan para obtener aislamiento eléctrico completo entre un circuito de entrada y un circuito de salida. El objetivo normal del aislamiento es proporcionar protección para los efectos de las corrientes transitorias de alta tensión, sobrecarga o ruido de bajo nivel que pudieran dar por resultado una salida errónea o daño del dispositivo. Los acopladores óptico también permiten circuitos de acoplamiento con diferentes niveles de voltaje, tierras distintas, etc.

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El circuito de entrada suele ser un LED, aunque el circuito de salida puede asumir varias formas, como el fototransistor que se muestra en la figura 40-(a). Como el voltaje de entrada polariza en directa al LED, la luz transmitida al fototransistor enciende a éste, produciendo corriente a través de la carga externa, como se muestra en la figura 40-(b).

En la figura 39 se muestran algunos otros de acopladores. El acoplador con transistor darlington que se muestra en la figura 40(a) puede usarse cuando se requiere capacidad de corriente de salida incrementada más allá de la proporcionada por la salida del fototransistor. La desventaja es que el fotodarlington tiene velocidad de interrupción inferior a la del fototransistor. En la figura 40-(b) se muestra un acoplador de salida LASCR. Este dispositivo puede usarse en aplicaciones en las que por ejemplo, se requiere un voltaje de entrada de bajo nivel a fin de “amarrar” un relevador de alto voltaje para efectos de activación de algún tipo de dispositivo electromecánico. 6.1 Características voltaje de aislamiento

El voltaje de aislamiento de un acoplador óptico es el voltaje máximo que puede existir entre las terminales de entrada y de salida sin que ocurra ruptura dieléctrica. Sus valores típicos son aproximadamente iguales a 7500 v pico de ca.

razón de traspaso de corriente en cd

Este parámetro es la razón de la corriente de salida a la corriente de entrada a través del LED. Suele expresarse como porcentaje. Para una salida de fototransistor, los valores típicos varían desde 2 % hasta 100 %. Para una salida de fotodarlington, los valores típicos varían desde 50 % hasta 500 %.

corriente de disparo del led

Este parámetro se aplica al acoplador de salida LASCR y al dispositivo de salida fototriac. La corriente de disparo es el valor de la corriente requerida para disparar el dispositivo de salida tiristor. Típicamente, la corriente de disparo se encuentra en el rango de los mA.

ganancia de traspaso

Este parámetro se aplica al acoplador lineal de ca aislado ópticamente. La ganancia de traspaso es la razón del voltaje de salida a la corriente de entrada. Un valor típico es de200 mV/mA.

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En la figura 41 se indica la forma de interfazar una salida digital a cargas de CA de baja potencia utilizando un optoacoplador MOC3010. El fototriac actúa como un interruptor enserie con lampara, conectándola a la red de 115 VAC cuando la salida de la compuerta es de nivel bajo (0V) y desconectándola cuando es de nivel alto(5V). El fototriac se dispar (entra en conducción) cuando la corriente a través del LED (IF) supera un cierto umbral denominado IFT . Para el MOC 3010, IF (máx.) = 50 mA e IFT(max)= 8 mA. Típicamente IFT= 8 mA e IF = 10 mA.