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7/17/2019 elctronica industrial

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UNIDAD IDispositivos semiconductores de electrónica industrial

1.4 Descripción y característica de funcionamiento de Tiristores: SCR,TRIAC,DIAC, GTO, IGBT´S

SCR:

Los rectificadores controlados de silicio SCR se emplea como dispositivo de control.

El rectificador controlado de silicio SCR, es un semiconductor que presenta dos

estados estables: en uno conduce, y en otro está en corte (bloqueo directo, bloqueoinverso y conducción directa).

El objetivo del rectificador controlado de silicio SCR es retardar la entrada enconducción del mismo, ya que como se sabe, un rectificador controlado de silicioSCR se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus bornes se hace positiva(tensión de ánodo mayor que tensión de cátodo), sino cuando siendo esta tensiónpositiva, se envía un impulso de cebado a puerta.

El parámetro principal de los rectificadores controlados es el ángulo de retardo, a.Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corrientesólo durante los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es elsemiciclo en que el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto significa queel SCR no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. Durante la otra mitaddel ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace queel SCR tenga polarización inversa, evitando el paso de cualquier corriente a lacarga.



Introducción

Rectificador controlado de silicio SCR (silicon controlled rectifier)

Es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la

disposición pnpn Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo yPuerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta.Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casiideal, rectificador y amplificador a la vez.



El SCR se asemeja a un diodo rectificador pero si el ánodo es positivo en relaciónal cátodo no circulará la corriente hasta que una corriente positiva se inyecte en lapuerta. Luego el diodo se enciende y no se apagará hasta que no se remueva latensión en el ánodo-cátodo, de allí el nombre rectificador controlado.

Funcionamiento básico del SCR

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender sufuncionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), seproducen dos corrientes: IC2 = IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente decolector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a suvez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1.

Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendidodel SCR.



Operación controlada del rectificador controlado de silicio

Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material desilicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido asus capacidades de alta temperatura y potencia.

La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de doscapas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determinacuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado.No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. Enla región de conducción la resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1

La resistencia inversa es típicamente de 100 k o más. Un SCR actúa a semejanzade un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo decorriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un

interruptor cerrado. Cuando esta apagado (OFF), no puede haber flujo de corrientedel ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es undispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida.

METODOS DE CONMUTACION:

Para que el dispositivo interrumpa la conducción de la corriente que circula a travésdel mismo, ésta debe disminuir por debajo del valor I H (corriente de mantenimiento).Hay dos métodos básicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupción de

corriente anódica y conmutación forzada. Ambos métodos se presentan en lasfiguras Figura 6 y Figura 7.

Figura 6: Apertura del SCR mediante interrupción de la corriente anódica



En la Figura 6 se observa cómo la corriente anódica puede ser cortada mediante uninterruptor bien en serie (figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). Elinterruptor en serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR dejede conducir. El interruptor en paralelo desvía parte de la corriente del SCR,reduciéndola a un valor menor que I H .

En el método de conmutación forzada, que aparece en la Figura 7, se introduce unacorriente opuesta a la conducción en el SCR. Esto se realiza cerrando un interruptorque conecta una batería en paralelo al circuito.

Figura 7: Desconexión del SCR mediante conmutación forzada

Forma de onda del SCR



TRIAC:

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de lafamilia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional (SCR) es que éstees unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que

el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dosSCR en direcciones opuestas (Y su comportamiento es ese).

Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo ycátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente alelectrodo puerta.

Aplicaciones más comunes

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas

ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como interruptor electrónico. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como

atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en lossistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. Noobstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos,se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIACse apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corrientealterna.

La forma de controlarse es la misma descrita del SC, debido a su poca estabilidad(un poco mayor que el SCR) en la actualidad su uso es muy reducido.



Forma de onda del TRIAC

DIAC (Diodo de Corriente Alterna):

Es un tiristor de control cuyas siglas en ingles significan diodo interruptor decorriente alterna. El componente tiene una estructura bastante compleja pues sucircuito equivalente es una conexión en paralelo de 4 capas complementarias. Demanera sencilla el DIAC opera como 2 diodos conectados en paralelo inverso lo que

le da su característica de bidireccionalidad.

El DIAC entra en conducción cuando se le aplica un voltaje que alcanza el voltajede ruptura ( ± VBO) de especificación.

El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para dispararTRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión). Tiene dos terminales:MT1 (A1) y MT2(A2).



Voltaje de ruptura o conducción +VBO +VBR

Corriente de ruptura o conducción IBO IBR

El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientadosen forma opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensióndel zener que está conectado en sentido opuesto. El DIAC normalmente noconduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparececuando la tensión de disparo se alcanza.

Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entraen conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR oTRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante

control de fase. La curva característica del DIAC se muestra a continuación

En la curva característica se observa que cuando:

+Vs o - Vs es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como uncircuito abierto



+Vs o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como uncortocircuito

Sus principales características son:- Tensión de disparo

- Corriente de disparo- Tensión de simetría (ver gráfico anterior)- Tensión de recuperación- Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potenciade 0.5 a 1 watt.)

GTO(Gate Turn-Off Thyristor):

Un Tiristor GTO o simplemente GTO (Tiristor de encendido y apagado por puerta)es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo

pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor

normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa

en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado

de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).

A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha

sido poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la

tecnología en el desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado

nuevas soluciones para mejorar tales componentes que hacen que hoy ocupen una

franja significa dentro de la electrónica de potencia, especialmente en aquellas

aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000 V y los

4000 A.



El GTO es un tiristor con capacidad de externa de bloqueo, la puerta le permite controlar las

dos transiciones: pasa de bloqueo conducción y viceversa .

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de

los tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y

bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.

El mecanismo de disparo es parecido al SCR: Suponiendo que esta polarizado,cuando se inyecta una corriente a la puerta, circula una corriente entre puerta y

cátodo. Si se mantiene una corriente en el ánodo superior a la corriente de

mantenimiento se puede hacer conducir el GTO sin necesidad de la compuerta, esta

corriente es conocida con corriente anódica.



La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a

la abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas

centrales del dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el

restablecimiento de la barrera de potencial en la unión J2.

CARACTERISTICAS DEL DIODO:

Como se muestra en la figura se muestran las características estáticas corriente-

voltaje del GTO, se muestra que si una corriente positiva pasa por la compuerta el

dispositivo pasara de un estado de apagado aun estado de encendido. Por lo

contrario si la corriente es negativa pasara de un estado de encendido a apagado,

con ello tenemos el dominio del dispositivo en todo momento. Cabe aclarar que al

tener las más funciones que un SCR, este dispositivo es un poco más costoso que

un SCR.

APLICACIONES:

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser

apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos de conversiones de dc-

dc y circuitos inversores a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e



IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores

de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son

útiles porque las caracteristicas de conmutación que posee, pueden ser usadas para

regular la potencia, como el factor de potencia.

A nivel industrial algunos usos son:

Troceadores y convertidores.

Control de motores asíncronos.

Inversores.

Caldeo inductivo.

Rectificadores.

Soldadura al arco.

Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).

Control de motores.

Tracción eléctrica

Ventajas de los GTO sobre los SCR

Eliminación de los componentes auxiliares en la conmutación forzada, queda como resultado una reducción en costo, peso y volumen.

Eliminación del ruido acústico y electromagnético debido a la eliminación debobinas de inducción en la conmutación.

Desactivación más rápida, permitiendo frecuencias de conmutación másaltas.

Una eficiencia mejorada de los convertidores.

Ventajas sobre los transistores bipolares en aplicaciones de baja potencia.

Más alta capacidad de voltaje de bloqueo.



Alta relación de corriente de pico controlable a corriente promedio. Alta relación de corriente de pulsación pico a corriente promedio,típicamente

de 10:1. Alta ganancia en estado activo típicamente de 600 Señal de compuerta

pulsada de corta duración. Bajo condiciones de pulsación de carga, un GTO

pasa a una saturación más profunda debido a la acción regenerativa. Por otraparte, un transistor bipolar tiende a salirse de saturación.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):

El transistor bipolar de puerta aislada IGBT, del inglés es un dispositivo semiconductor

que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de

potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores

de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar

como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del

MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Simbolo Circuito equivalente

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces,

en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas

eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin

que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión,

barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación

Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.



Características

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y hasustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y

medias energías como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocinade inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivoscolocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos deamperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidadde manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base paramantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutaciónde la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potenciaes intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los

segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensiónde control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemasde potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.



Practicas

Árbol navideño para 120 voltios corriente alterna, 1 diac y 9 leds

Árbol navideño con 9 leds, 120 voltios de corriente alterna y un DIAC para apagar y encender los

leds y con esto darles el efecto de flash.

Fragmento del texto original:

R1 se encarga de reducir el voltaje, D1 es el encargado de rectificar la corriente, C1 filtra los residuos

de corriente alterna y cuando se carga completamente el DIAC recibe su corriente de umbral y por

lo mismo permite que los leds se enciendan momentáneamente, luego el DIAC descarga el C1 y los

leds se apagan, para luego iniciar nuevamente el ciclo.

Se recomienda sumo cuidado al ensamblar el circuito ya que por el circulan 120 voltios.

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