2-1 tipos de diodos,conexiones

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA 2-1 Tipos de diodos, conexión de diodos ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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DIODOS Y RECTIFICADORES NO CONTROLADOS DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Los diodos semiconductores, son dispositivos de dos terminales, denominados ánodo y cátodo. Se los utiliza como interruptores, permitiendo la conducción eléctrica en un solo sentido. Tiene aplicaciones en los convertidores de “ca” a “cc”(rectificadores), diodo de marcha libre, reguladores conmutados, inversor de carga de capacitores, transferencia de energía entre componentes, aislamientos de voltajes, retroalimentación de la carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada. Los diodos de potencia, básicamente son de tres tipos: De propósito gral, de alta velocidad, y de Schottky. Se los construye en silicio, de masiva aplicación comercial y carburo de silicio, todavía con aplicaciones comerciales limitadas

En los diodos de potencia, entre otros, tres son los parámetros que influyen en mayor medida, cuando es necesario realizar su selección, para su uso en un convertidor de potencia: La máxima tensión inversa, la máxima corriente directa y el tiempo de recuperación inversa. La máxima tensión inversa esta relacionada a la tensión inversa que soporta el diodo, en determinado tiempo dentro del ciclo de conversión, si que provoque su destrucción. La máxima corriente directa, es la corriente que circula por el diodo, en condiciones que su valor promedio o pico, no supere la temperatura máxima permitida en su juntura. Finalmente el tiempo de recuperación inversa, esta relacionado a la máxima frecuencia de conmutación que puede soportar un diodo en un circuito convertidor, limitada, por exceso de temperatura y corriente pico inverso.

Diodos semiconductores

silicio Carburo De silicio

Diodo Schottky

Diodo Schottky

Diodo JBS

Diodo PIN

Diodo Epitaxial

(PIN)

Diodo doble

difusión (PIN)



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Característica tensión–corriente de los diodos

El diodo es un dispositivo de unión “pn”, con dos terminales (ánodo y cátodo), La unión “pn” se puede formar por tres métodos: Aleación, Difusión y crecimiento epitaxial. En los diodos de potencia se utilizan los dos últimos métodos. Cuando el Terminal de ánodo esta polarizado positivamente, respecto al cátodo, se dice que esta polarizado en directo y puede circular una gran corriente con una caída de tensión baja. El valor de esta caída de tensión dependerá del método de construcción de la juntura y de su temperatura. Cuando al diodo se lo polariza “en inversa”, ánodo negativo, respecto al cátodo, la corriente que circula es muy baja (corriente de fuga o de perdidas) del orden de los micro o miliamperes. Si se aumenta la tensión inversa aplicada, la corriente de fuga comienza a incrementarse, hasta que se llega a un voltaje de avalancha o zener, que puede destruir la unión pn. La característica tensión .corriente, se puede expresar por medio de la ecuación de “Schockley”: ID = IS.( e

VD/n.VT-1) VD = tensión aplicada en los terminales del diodo ID = corriente que circula por el diodo IS = corriente inversa, de fuga o perdida, del orden de 10-6 a 10-15 Amper n = constante empírica, llamada”coeficiente de emisión o factor de idealidad”, cuyo valor varia de 1 a 2. Para diodos de Ge, su valor es 1 y para los de Si, su valor teórico es 2. Para los diodos prácticos de Si, su valor esta comprendido entre 1,1 y 1,8.

P N Ánodo Cátodo Símbolo

V+ V+

i i

v

Características. V-I real

-VBR

0

Características. V-I ideal

v



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VT = K.T / q se le denomina “voltaje térmico” donde: K = Cte. De Boltzman = 1,3806 x 10-23 joules / grados Kelvin q = carga del electrón = 1,6022 x 10-19 Culombios T = temperatura absoluta en grados Kelvin ( 273 + ºC) Por ejemplo a 25ºC VT = 25.8 mv. La característica V-I del diodo, permite distinguir tres zonas: Zona de polarización directa (para VD >0), zona de polarización inversa (para VD < 0) y zona de ruptura para (para -VD <-VBR). Polarización directa: En esta zona, la corriente del diodo es muy pequeña, si la tensión en sus extremos no supera un determinado valor, denominado tensión umbral (≈0,5 a 0,65 volt).Por ejemplo si en la ecuación anterior, hacemos VD = 0,1 volt, n = 1 y VT = 25.8 mv la corriente del diodo resulta ID = 48,23 IS . De allí que para valores superiores a 0.1 volt la ecuación anterior se puede aproximar a: ID = IS.( e

VD/n.VT ) Para valores de la tensión del diodo superiores a la tensión umbral, la corriente crece rápidamente haciendo que la caída de tensión del diodo, varié entre 0,7 a 1,2 voltios En conducción directa la caída de tensión del diodo varia en forma inversa con la temperatura en aproximadamente dv/dt ≈ -2,5 mv/ºC Polarización inversa: En esta zona, la tensión del diodo es negativa VD < 0, e ID = -IS.≈ cte. La corriente inversa que es prácticamente constante hasta casi la tensión de ruptura VBR, varia aproximadamente 7%/ºC, tanto para los diodos de Si. como Ge. Esto nos dice que la corriente inversa se duplica con cada 10ºC de aumento de la temperatura. Zona de ruptura: La corriente inversa IS , esta formada por los portadores minoritarios generados térmicamente, y la corriente superficial. Con tensión inversa elevada, los portadores de esta corriente son acelerados a gran velocidad, adquiriendo suficiente energía como para provocar impactos ionizantes. Esto da lugar a un aumento de portadores, con un efecto multiplicador que provoca un aumento de la corriente inversa en forma casi ilimitada y que puede provocar la ruptura de la juntura, si no se toman limitaciones. Este proceso se denomina ruptura por avalancha. La tensión inversa a la cual comienza a producirse este fenómeno, se denomina VBR. A partir de este valor, la corriente inversa crece rápidamente. La operación del diodo en la zona de ruptura no será destructiva, siempre y cuando la disipación de potencia este dentro de ciertos limites seguros, dados por el fabricante. En los diodos de potencia, para aumentar esta tensión de ruptura, se los construye en tres capas “n+p p+ “, y la pastilla, a los efectos de mejorar la distribución del potencial eléctrico en la superficie, se la construye con los bordes biselados (estos diodos se les llama "de avalancha controlada").

n+ p p+ p+

p n+



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Característica de recuperación inversa Cuando un diodo tiene polarizacion directa, se produce una gran concentración de portadores minoritarios, a ambos lados de la juntura y en el material del cuerpo semiconductor. Cuando el diodo esta con polarizacion inversa, los portadores de carga minoritarios, se alejan de la juntura, dejando la denominada “región de la carga espacial no neutralizada” (iones de la estructura cristalina de los átomos). Por lo tanto, cuando un diodo esta en conducción directa y su corriente se reduce a cero ( debido al comportamiento del circuito externo o a la aplicación de un voltaje externo), el diodo continua conduciendo, debido a los portadores almacenados en la juntura “pn” y el material. Semiconductor, requiriéndose un tiempo para que estos se recombinen con cargas opuestas y desaparezcan. Este tiempo se conoce como “tiempo de recuperación inversa del diodo, trr”.

Las graficas muestran la variación de la corriente del diodo para dos diferentes tipos de juntura, donde se definen las siguientes corrientes y tiempos: trr : Tiempo de recuperación inversa. Se mide desde el momento que la corriente pasa por cero hasta el 25% de la corriente inversa máxima “Irr”. Su valor, esta dado por dos tiempos parciales trr = ta + tb donde: ta: Esta originado por el almacenamiento de cargas en la zona de la juntura. tb: Es el tiempo de almacenamiento en el cuerpo del semiconductor tb/ta: se le denomina factor de suavidad. Vamos a relacionar a continuación la relación entre estos parámetros. Si tenemos en cuenta la variación de la corriente durante el tiempo “ta”, podemos expresar como: di/dt= Irr / ta despejando la corriente resulta: Irr = ta. di/dt ≈ trr. di/dt (1) si hacemos trr = ta+tb ≈ ta

trr ta t1 t2

IF

0,25 Irr Irr tb

t

IF

trr ta tb

t

Recuperación suave Recuperación abrupta



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La carga de recuperación inversa “Qrr” es la cantidad de portadores de carga que fluye a través del diodo, en dirección inversa, debido a un cambio de la conducción directa a la condición de bloqueo inverso. Este valor, queda determinado por el área encerrada por la trayectoria de la corriente de recuperación inversa: t2 Qrr = ∫ i(t) dt ≈ área encerrada de un triangulo de base “trr” y altura Irr : t1 Qrr ≈ 1/2 . Irr . trr despejando “Irr” nos queda. Irr = 2. (Qrr/trr) (2) Igualando (1) y (2) 2. (Qrr/trr) =trr. di/dt despejando el tiempo “trr” tenemos: ____________ trr = √ (2.Qrr) / di/dt Si a este valor lo reemplazamos en la expresión (1) tenemos: __________ Irr = √ 2.Qrr. di/dt El tiempo de recuperación inversa “trr” y la corriente de recuperación inversa de pico”Irr “ dependen de la carga almacenada “Qrr” y de la variación de la corriente inversa.. Por otro lado, la carga almacenada, depende del tipo de diodo y de la corriente directa “IF” en el momento previo a la conmutación. Los fabricantes de diodos, suministran curvas que muestran la dependencia de “Qrr” y “trr” con di/dt y la corriente directa “IF”. La energía puesta en juego en la recuperación vale: W = Qrr.Vr, donde Vr es la tensión inversa después de la recuperación En régimen periódico de conmutación la potencia consumida vale: P = W / T = Qrr . Vr . f Esta potencia es importante tenerla en cuenta a los efectos de su disipación. Tiempo de recuperación directa de los diodos Si un diodo esta polarizado inversamente, fluye una corriente de fuga debido a los portadores minoritarios. Al polarizar directamente, el diodo conduce la corriente directa. Este cambio, requiere un tiempo para producirlo que se denomina “tiempo de recuperación directa”. Es el tiempo necesario para que todos los portadores mayoritarios de toda la juntura puedan contribuir al flujo de la corriente. Si la velocidad de crecimiento de la corriente es muy elevada, ocurre que la corriente directa se concentra en una zona pequeña de la superficie de la juntura; el diodo puede fallar por un exceso de temperatura puntual. El tiempo de recuperación directa de un diodo, limita la velocidad de crecimiento y con ello la velocidad de conmutación. Los fabricantes de diodos, suministran los valores limites mediante la expresión “di/dt ”.



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Efectos del tiempo de recuperación directa e inversa A los efectos de interpretar los efectos que producen los tiempos de recuperación directa e inversa, y las medidas preventivas que es necesario tomar, analizaremos un circuito de conmutación con diodos sencillo, como se muestra en el siguiente circuito:

Si cerramos el interruptor “P” en t = 0, se establece una corriente a través del inductor “L”y resistencia “R” que tomara el valor final, (al finalizar el transitorio) de: IL = ve / R. . Con la polaridad de la tensión de entrada, el diodo Dv, esta polarizado inversamente. Si abrimos “P” en el tiempo “t1”, al disminuir la corriente “ IL”, se induce una tensión en la inductancia “L” , para evitar que disminuya, y esta tensión inducida polariza ahora al diodo Dv directamente, lo que hace que fluya la corriente “i2”. Mientras conduzca Dv, la tensión sobre la carga “RL” queda limitada a la caída de tensión del diodo y con valor negativo (≈0,7 volt).

IL 0 I1 0 I2

t1 t2

t

t

t

Corriente de pico Inverso de Dv por recuperación. inversa

Irr



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Si ahora en el tiempo “t2” cerramos el interruptor “P”, el diodo Dv cambia su polaridad y pasa de la conducción directa a la inversa, produciéndose durante esa transición , el fenómeno de recuperación inversa, lo que hace que Dv este prácticamente en cortocicuito, dado que no tiene prácticamente limitación de corriente. En esta situación, la velocidad de crecimiento de la corriente “i1” (dv1/dt) y la corriente del diodo “D1”, como asi también la velocidad de decrecimiento de la corriente de Vd., serian muy elevados, tendiendo a infinito. Esto hace que la corriente de recuperación inversa del diodo “Dv” sea muy elevada, dado que esta dado por la expresión deducida : _________ Irr = √ 2.Qrr.di/dt Con estas corrientes elevadas, los diodos “D1” y “Dv” podrían dañarse si “di1/dt” del circuito, supera el tiempo de recuperación directa del diodo D1 y la máxima Irr de Dv. Una solución es incorporar una inductancia “Le” limitante, en serie con el diodo D1

0

Con esta inductancia incorporada, la elevación de la corriente del diodo D1y reducción de Dv, quedaría limitada a la de la inductancia, cuyo valor se podría determinar,

IL 0 I1 0 I2

t1 t2

t

t

t

Corriente de pico Inverso de Dv por Recup. inversa

Irr IL=Ve/R



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fácilmente, considerando que en el tiempo “t2” el diodo Dv esta en corto. Para esta situación vale: di/dt = ve / Le. De esta forma la corriente de recuperación inversa de Dv quedaría limitada a : Irr = trr.di/dt = trr.ve/Le La corriente pico del inductor Le vale: Ip = IL + Irr = IL + trr.ve/Le Cuando el diodo Dv se recupera (Irr≈ 0), la corriente “Ip” para a valer rápidamente “IL“. Como la corriente de la carga no puede pasar rápidamente de Ip a = IL , entonces se induce una sobre tensión alta , debido a la energía almacenada que podría dañar a “Dv”. El excedente de energía almacenada por “Le” (durante el tiempo de recuperación) vale: Wr = 1/2. [(IL + Irr)2 - IL

2] = 1/2. [(IL + ve.trr/Le)2 - IL2]

Una solucion para descargar este excedente de energía, es agregar un capacitor C1 en paralelo con Dv para que pueda absorber esa energía y evitar la sobre tensión. El valor del capacitor se puede determinar como: Wr = 1/2. C1. Vc2 despejando C1 resulta: C1 = 2.Wr / Vc2 El valor de “Vc” corresponde a la máxima tensión inversa repetitiva que puede soportar el diodo Dv (VRWM) que es un dato dado por el fabricante. La resistencia en serie con C1, se coloca para disipar esta energía y evitar un tiempo prolongado del transitorio (amortiguamiento). Problema: El tiempo de recuperación inversa de un diodo es trr = 3,5 µseg. Y la velocidad de reducción de la corriente del diodo, cuando esta conmutando de conducción a bloqueo, es de di/dt = 27 Amper/µseg. Determinar: a) La carga de almacenamiento Qrr. b) La corriente inversa de pico Irr. RESUMEN DE USO Y CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS DI ODOS 1) Diodos estándar o de uso gral: Se los utiliza en rectificadores y convertidores de frecuencia hasta 1 Khz., incluyendo los conmutados por línea (50 o 60 Hz). Se fabrican por proceso de difusión. Existen diodos para soldaduras eléctricas fabricados por aleación hasta 300 amperes y 1000 volt (son económicos). Corrientes : 1 hasta 4500 amperes Tensiones inversas: 50 hasta 6000 volt. trr tipico: 25 µseg. 2) Diodos de recuperación rápida: Se los utiliza en convertidores de CC a CC y CC a CA, donde la velocidad de recuperación inversa es critica. Se fabrican por difusión y técnica epitaxial. Por encima de los 400 volt, se fabrican por difusión, donde el tiempo de recuperación, es controlada, mediante la difusión de oro o platino. Por debajo de 400volt , los diodos



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epitaxiales, tienen una base angosta lo que le permite tiempos de recuperación inversa del orden de los 50 nseg. Frecuencias de funcionamiento: hasta 10 KHz. Corrientes : 1 hasta 1000 amperes. Tensiones inversas: 50 a 3000 volt. trr : ≈ 0,1 a 5 µseg. 3) Diodos Schottky: Son diodos donde se logra la barrera de potencial con un contacto metal- semiconductor. Se logra, depositando sobre una capa epitaxial “n” de silicio, una capa de metal. La acción rectificadora se logra por la acción de los portadores mayoritarios y como resultado no tienen portadores en exceso para recombinar. El efecto de recuperación se debe solamente a la capacitancía de la unión. La caída de tensión directa es mas baja que los diodos de silicio “pn” (≈0,2 a 0,3 volt). La carga almacenada, depende de la capacitancia y no depende de la “di/dt”. La corriente inversa o de fuga, es mayor que la de un diodo de Silicio “pn” y por lo tanto el voltaje inverso máximo, esta limitado a 100 volt. Las corrientes varían de 1 a 300 amperes. Son ideales para fuentes de alimentación de alta corriente y bajo voltaje. Tienen buena eficiencia o sea pocas pérdidas en conducción directa. Frecuencias de funcionamiento: 20 KHz. Corrientes: 1 a 300 amperes. Tensiones inversas: 100 volt trr : ≈ 1nseg. 4) Diodos de carburo de silicio (SiC): El SiC. Es un nuevo material que se esta utilizando en la electronica de potencia. Sus propiedades mejoran a las de silicio (Si.) y de Arseniuro de galio (GaSi). Tenemos tres variantes para este tipo de diodos: diodos Schottky, diodos JBS, diodos PIN. Los diodos Schottky fabricados en SiC, tienen pérdidas de potencia muy bajas, gran fiabilidad, no tienen tiempo de recuperación inversa lo cual los hace ultrarrápidos en la conmutación y la temperatura, no influye sobre la misma. 5) Otros diodos que se utilizaron como rectificadores de potencia: a) Diodos de germanio: Soportan temperatura de juntura hasta 100ºC, lo que limita su corriente directa a un valor máximo de 25 amperes. Soportan una tensión inversa máxima de 400volt y tienen una caída de tensión directa de aprox. 0,4 a 0,5volt. b) Diodos de Selenio: Soportan una temperatura máxima de juntura de 120ºC. Tiene menor capacidad de corriente que los diodos de Ge. Soportan una tensión inversa máxima de 60 volt. Tienen poca sensibilidad a los transitorios, por lo que se lo ha usado en aplicaciones como protector contra sobre tensiones. Es un dispositivo que sufre envejecimiento con el uso. c) Diodos de oxido de cobre: Soporta temperaturas máximas de 70ºC; Su capacidad para la tensión inversa estaba alrededor de los 6 volt. Solamente se lo utilizaba en aplicaciones de baja tensión. Es el mas antiguo rectificador solidó.



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d) Diodos de válvula de vacío: Los 1º convertidores (rectificadores Ca a CC) se construyeron con estas válvulas. Soportan altas corrientes y altas tensiones inversas. Necesitan para su funcionamiento, un circuito auxiliar para calentamiento del cátodo para que pueda emitir electrones y conduzca la corriente hacia el ánodo. ESPECIFICACIONES ELECTRICAS Y TERMICAS SUMINISTRAD AS POR LOS FABRICANTES DE DIODOS SEMICONDUCTORES Tensiones de bloqueo inversa VR: Máxima tensión inversa aplicable en corriente continua VRWM : Máxima tensión de pico inversa excluyendo transitorios (onda senoidal 180º) VRRM : Máxima tensión de pico inversa incluyendo transitorios repetitiva (onda senoidal 180º). VRSM: Máxima tensión transitoria de pico inversa de modo no repetitivo. Caídas de tensión del diodo VFM: Caída de tensión de pico directa para ½ onda senoidal, frecuencia y corriente pico especificada. VF : Caída de tensión promedio para la potencia promedio especificada. Corrientes directas IF(AV) : Corriente promedio máxima para 180º de conducción senoidal (con especificación de temperatura de carcaza o juntura). IF(RMS) : Corriente eficaz máxima para 180º de conducción senoidal (con especificación de temperatura de carcaza o juntura). IFSM : Sobrecorriente transitoria máxima no repetitiva (con especificaciones) IFRM(rep) : Corriente de pico máximo repetitiva. Corrientes inversas IRM : Corriente de pico inversa IR(AV) : Corriente inversa promedio. Características de cortocircuito i2.t [KA 2/seg.] : Energía de ruptura del dispositivo con especif. de tiempo de ½ ciclo (8,3 o 10 mseg), temperatura y tensión VRRM. _ _ i2.√t [KA 2/√seg.] : Valor que se utiliza para calcular i2.t para 0< tx > 8,3 o 10 mseg _ _ i2.t = i2.√t . i2.√tX



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Potencias de pérdidas PRRM : Potencia disipada máxima de pico inverso PRSM: Potencia máxima de pico inverso no repetitivo P(AV) : Potencia promedio disipada por la corriente media y eficaz para onda senoidal 180º de conducción con frecuencia especificada PC : Potencia promedio disipada durante la conmutación con especif. De frecuencia Características de conmutación trr : Tiempo de recuperación inversa = (ta+tb) S : Factor de suavidad = tb/ta IRM : Corriente inversa máxima de recuperación (I rr ) QRR : Carga almacenada o carga de recuperación inversa Resistencia del diodo rf : Resistencia dinámica del diodo con especif de corriente directa. Resistencia al paso del calor disipado RthJC : Resistencia térmica juntura – carcaza [ºC/W] (valores promedio) RthCD : Resistencia térmica carcaza – disipador “ “ RthD : Resistencia térmica disipador “ “ RthJ-mb : Resistencia térmica juntura- medio ambiente (sin disipador) “ “ Zth : Impedancia térmica transitoria del diodo [ºC/W] Temperaturas Tj : Temperatura máxima de juntura. Tc : Temperatura de carcaza Ta : Temperatura ambiente Tstg : Temperatura de almacenamiento Características mecánicas Fuerza para ajustar a la base de montaje; Peso ; Tipo de encapsulado.



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AGRUPACION DE DIODOS SEMICONDUCTORES Conexión paralelo de diodos Cuando la corriente promedio, por cada rama de un rectificador, supera a la máxima promedio de un solo diodo, de los disponibles en el mercado, resulta conveniente la conexión en paralelo de varios diodos. En este caso es necesario asegurar una adecuada distribución de las corrientes. Tomemos el caso de la conexión de dos diodos en paralelo, como se muestra la figura:

Debido a las diferentes características tensión-corriente de los diodos, las corrientes circulantes en cada uno de ellos, serán diferentes. De allí que si “iT/2 es la máxima corriente de cada diodo, el D1 estará soportando una corriente superior a ese valor y D2 un valor menor. En estas condiciones, D1 se destruirá por exceso de temperatura y mas tarde ocurrirá con D2 que tiene que asumir la corriente total. Este diferente reparto de corrientes se agrava más, con el aumento de temperatura. En el grafico se observa que la corriente del diodo D1 aumenta y la de D2 disminuye. Existen varios métodos para obtener una ecualización de las características V—I de los diodos, que permita conectarlos en paralelo, de tal forma que no se superen las condiciones máximas de conducción de cada uno de ellos. Estos métodos son:

D1 D2

Características directas después de un aumento de temperatura

i id1’ id1 iT/2 id2’ id2

vd’ vd

v



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Colocación de resistores de equilibrio en serie, Apareamiento de las características directas del diodo y Equilibrio de las corrientes con reactores. 1) Colocación de resistencia de equilibrio en serie

Con esta solución podemos observar que las corrientes en los diodos toman valores bastantes similares. Este método se utiliza para diodos de pequeña capacidad, dado el consumo de energía en los resistores. Estos últimos, eligen de tal manera que la caída de tensión en ellos, sea del orden de la caída de tensión de los diodos. Otro inconveniente de este método, es que se incrementa la caída de tensión que produce el circuito rectificador. 2) Apareamiento de las características directas de los diodos Este método se utiliza para el caso de diodos con alto grado de apareamiento, logrado en base a una selección adecuada. Se realiza en esta forma, una conexión directa, usando para ello un factor de reducción de corriente. Si suponemos que D = Im / IM es el desequilibrio de corriente, entonces si conectamos “n” diodos en paralelo y suponiendo que (n-1) tengan el máximo desequilibrio y el restante soporta la corriente máxima IM, entonces la corriente total de los “n” diodos la podemos expresar como: IM +( n-1). Im =n . I siendo “I” la corriente en el supuesto de que todos los diodos fuesen iguales y “n.I” representa la corriente total de una rama del rectificador. Operando tenemos: IM +( n-1).D.IM =n . I Operando nuevamente y considerando la relación fd = I / IM como el factor de reducción, este vale: fd =D + (n-1).D / n

D1 D2

Características directas de la combinación resistor +diodo

i id1 id1’ id2’ id2

v

vd vd+vR



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El valor de “D” se toma como valor practico 0,85 si los diodos tienen fusibles conectados en serie y si no lo tienen , se toma un valor de 0,8. Reemplazando resulta: fd = (0,85 + 0,15 / n) con fusibles en serie. fd = (0,85+ 0,2 / n) sin fusibles en serie. En esta condición, se supone que la máxima corriente que puede soportar el diodo resulta: I = fd . IM Entonces la corriente total que puede circular por “n” diodos vale: IT = n . I n . fd . IM = (n.0,85 + 0,15). IM (con fusibles en serie) Problema: Calcular la corriente máxima tolerable por 10 diodos conectados en paralelo y funcionando a máxima temperatura de juntura. Los diodos están protegidos por fusibles en serie y tienen una corriente máxima promedio de IFAVmax =30 amperes. IT = (n.0,85 + 0,15). IFAVmax = (0 . 0,8 + 0,15).30 = 259,5 amperes 3) Equilibrio de corrientes con reactores inductivos

Es el método preferido para el equilibrado de grandes corrientes, dado que se tienen menos perdidas de potencia. El circuito trabaja de la siguiente manera: Si el diodo D1 tiene menor tensión umbral, este será el primero en conducir. La corriente”i1”, produce una tensión inducida en los bobinados L1 y L2 de manera tal que obliga a conducir a D2. Cuando cesa el periodo de conducción, “i2” disminuye en primer termino, porque D2 tiene mayor tensión umbral; esto crea una nueva Fem., que hace que aumente el periodo de conducción de D2 y disminuya el de D1. El resultado, es que por los diodos D1 y D2, circulen corrientes prácticamente iguales.



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El valor de la inductancia óptima se determina por la siguiente formula empírica: L = 20.000 / w. IFRM donde “w” es la pulsación y . IFRM es la máxima corriente de pico del diodo. Las exigencias más importantes de la reactancia son elevada densidad de flujo de saturación y baja densidad de flujo remanente, para obtener el mayor cambio total. Cuando tenemos que conectar varios diodos en paralelo, se recurre al siguiente circuito:

El circuito muestra la conexión de cuatro diodos en paralelo con reactancias de equilibrado. Cuando un diodo comienza a conducir, genera una tensión inducida en las reactancias, que obliga al resto a conducir. Por ejemplo, si el diodo D1 es el primero en conducir (por tener menor tensión umbral), los diodos D2 y D4 comienzan a conducir a través de T2 y T1 respectivamente. Las tensiones generadas por T3 y T4, hacen iniciar la conducción de de D3. Este sistema, es el más satisfactorio a pesar de su costo y de los transitorios que se producen durante la conmutación. CONEXIÓN SERIE DE DIODOS En los equipos convertidores donde la tensiones inversas del circuito, superan las máximas admisibles de los diodos (VRW max.), la solución puede consistir en la conexión en serie de dos o mas diodos. Con tal conexión, surge el problema de asegurar una distribución suficientemente uniforma de la tensión inversa en cada uno de los diodos, tanto en el régimen estacionario, como durante la conmutación. La aparición aunque sea en un solo de los diodos de una tensión superior a la disruptiva, motiva no solo la



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ruptura del diodo determinado, sino también de todos los restantes componentes de la cadena que se exponen al régimen de sobre tensión. El la siguiente figura muestra una cadena de diodos en serie con la probable distribución de tensión inversa, tanto en el régimen estacionario, como en el transitorio de la conmutación

Régimen estacionario El origen de una distribución irregular en este régimen, se debe a la divergencia en la pendiente de las porciones rectilíneas, en las características V—I inversa, de cada uno de los diodos conectados en la cadena. La figura muestra la distribución de la tensión inversa para dos diodos conectados en serie, con una corriente inversa común de 5 MA:

La poca pendiente da lugar a una divergencia considerable en la magnitud de las tensiones aplicadas a cada una de los diodos, dado que a través de cada uno de ellos. circula la misma corriente inversa. La solución para este régimen, consiste en distribuir en forma más o menos uniforme la tensión inversa, colocando para ello resistencias en paralelo con cada uno de ellos. El dibujo muestra el circuito de ecualización del régimen estacionario:

Vi -800 v -400 v

0 5 ma -IR



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Para la determinación del valor del resistor “R” y la cantidad de diodos, se parte de considerar la situación mas desfavorable que se va a dar cuando solo uno de los diodos de la cadena tiene una cierta corriente inversa y el resto despreciable (ver. Circuit. rect. Fapesa o Proyectos de fuentes de alimentación Ing, Villamill). El desarrollo, nos lleva a una expresión que me da la cantidad de diodos a conectar en la cadena cuando tienen que soportar una determinada tensión inversa de la aplicación: n ≥ 1,5.(Vi / VRWM ) - 0,5 Vi : Máxima tensión inversa de trabajo impuesta por la aplicación. VRWM :Máxima tensión inversa de pico inversa que soporta cada uno de los diodos Para el cálculo del resistor se aplica la siguiente formula: R ≤ Vpi / α.IR Vpi = Vi / n : Máxima tensión inversa de trabajo que soporta cada diodo en condiciones de trabajo. α : Coeficiente de distribución ; valor variable entre 2 ≤ α ≤10. Para una alta confiabilidad, se adopta α =10 , que seria el caso de diodos de gran potencia. IR : Máxima corriente inversa. La potencia disipada por los resistores vale: PR = Vi(RMS)2 / R El valor Vi(RMS)

corresponde a la tensión eficaz inversa que soportan los diodos. Como este valor no es senoidal, se pueden adoptar las siguientes formulas para su cálculo: PR = 0,25. Vi(RMS)2 / R para circuitos monofasicos de media onda y onda completa. PR = 0,4. Vi(RMS)2 / R Para circuitos rectificadores trifásicos. Ejemplo: Calcular la cantidad de diodos en serie a colocar para soportar una tensión inversa máxima Vi = 2000 volt, con diodos de potencia que presentan la siguiente característica: VRWM = 600 volt IR = 0,05 ma Soluc. n ≥ 1,5.(Vi / VRWM) - 0,5 ≥ 1,5.(2000 / 600) - 0,5 = 4,5; adopto n=5 R ≤ Vpi / α.IR ≤ 2000 / 10.0,05 = 800 KΩ PR = 0,4. Vi(RMS)

2 / R = 0,4. 6002 / 800. 103 = 0,18 w ; se adopta un resistor de ½ w



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Régimen transitorio En régimen transitorio, cuando los diodos conmutan del estado de conducción al de bloqueo, también es posible que se produzca una irregularidad en las tensiones transitorias que soportan los diodos de la cadena, causado por las diferentes cargas acumuladas en la zona de la juntura, y a su diferente velocidad de recuperación. Esto es motivado por la completa identidad en las dimensiones geométricas de las capas de las junturas como así también por las distintas capacidades interdiodicas y tiempo de vida de los portadores. En esta condición, los diodos que tengan menor tiempo de recuperación, bloquearan la tensión inversa. Además de absorber dicha tensión, los diodos recuperados, prolongaran el tiempo de recuperación de los diodos más lentos al impedir la circulación de la corriente inversa que elimina el exceso de carga almacenada. Para mejorar la distribución de tensiones inversa en estas condiciones, es preciso disponer capacitores en paralelo con cada diodo, como muestra el siguiente circuito:

Estos capacitores, presentan fuentes de baja impedancia que absorben el exceso de carga almacenada, con lo que reducen al mínimo el tiempo de recuperación de todos los diodos y se evita la aparición de sobre tensiones en los diodos mas rápidos. El valor de la capacidad, se puede calcular con las siguientes formulas: C ≥ 5.trr . n / RT n : numero de diodos de la cadena. RT : resistencia total en serie trr : tiempo máximo de recuperación inversa. También se puede aplicar la siguiente formula para calcular el valor del capacitor: C = ( Qmax. – Omin.) / VRRM Qmax y Qmin. : Máxima dispersión esperada en la carga almacenada en la juntura de los diodos. VRRM : Máxima tensión inversa de pico repetitivo. Si los valores de Qmax y Qmin. No se conocen, se los puede calcular aproximadamente con la siguiente expresión: Qmax. (µC) = 2. IFAV (A) Qmin. = Qmax / 4

2-1 tipos de diodos,conexiones

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