electrónica de potencia- fundamentos

INSTITUTO SUPERIOR TECNOLÓGICO

ESTATAL “NUEVA ESPERANZA”

PROYECTO: FORTE – PECONVENIO PER/B7-3011/95/004

UNIÓN EUROPEA- REPÚBLICA DEL PERÚ

SEMICONDUCTORES ESPECIALES

MODULO:

“ELECTRÓNICA DE POTENCIA”

AUTOR: Prof. Martín Lavado Lozano

ESPECIALIDAD : ELECTROTECNIA

INDUSTRIAL - OCTUBRE 2002

MARZO . 2002

Proyecto FORTE-PE Electrotecnia Industrial

FUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIAFUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN

1.1 Importancia, aplicaciones e historia de la Electrónica de Potencia en nuestro país.

En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren que se entregue una cantidad de potencia eléctrica variable y controlada. Diversos campos de la electricidad y la electrónica se erumbaron hacia tales destinos desarrollándose entre la electrotecnia y la electrónica una nueva técnica, la electrónica de potencia.

La puesta a punto de los semiconductores, diodos o tiristores de silicio, al permitir el control de intensidades importantes, ha dado un empuje considerable a esta nueva técnica, llamada también electrónica de las corrientes fuertes.

En electrónica de corrientes fuertes, el concepto principal en toda transformación es el de rendimiento. El elemento de base no puede funcionar en régimen de amplificación, pues las pérdidas, producto de la intensidad por la caída de tensión, afectarían gravemente al rendimiento. Es necesario trabajar en régimen de conmutación, siendo el componente de base el elemento semiconductor que funciona por todo o nada.

Cuando el semiconductor está en estado de bloqueo, es preciso que la corriente que lo atraviesa sea despreciable, aunque esté sometido a una tensión elevada, a fin de que la potencia consumida sea mínima. Igualmente, cuando el rectificador está en estado de conducción (paso importante de corriente), es preciso que su caída de tensión interna sea muy débil para que las pérdidas sean despreciables frente a la potencia transferida.

Estáticamente, el semiconductor desempeña un papel análogo al de un interruptor mecánico:- Cerrado o en conducción, deja pasar la corriente provocando la mínima caída de tensión posible;- Abierto o en bloqueo, no deja pasar corriente alguna a pesar de que en sus bornes aparezca una

tensión.

Las señales de control enviadas a un montaje electrónico de potencia sirven para fijar los instantes de entrada en conducción de los semiconductores. La potencia correspondiente a estas señales de cebado es muy débil en comparación con la que se suministra a la carga.

El esquema siguiente nos muestra las funciones básicas en la electrónica general a) y en la electrónica de potencia b)

a) electrónica general b) electrónica de potencia

.

Prof. Lavado Lozano Martín ISTE. “Nueva Esperanza”- Trujillo - 2002

Señales de Cebado

Potencia

Ent

rada

Señal

Fuente auxiliar de Potencia

Potencia de presentación modificada

Señaltratada

sali

da

Ent

rada

sali

da


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 paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo,

con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, 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 tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

La Electrónica de Potencia es una disciplina que nació de la necesidad de manejar óptimamente altas corrientes con elementos menos costosos que los existentes, como los reles, contactores y disyuntores. Durante los últimos años han sido desarrollados dispositivos de estado sólido capaces de controlar grandes cantidades de potencia, con un alto grado de confiabilidad y eficiencia. Estos dispositivos han producido cambios en los métodos de controlar la energía eléctrica, equivalentes a la revolución que la tecnología de estado sólido produjo en las telecomunicaciones y en el manejo de señales de baja potencia. La electrónica de potencia ha sido reconocida como una disciplina que ocupa un lugar comparable con las telecomunicaciones, control de maquinaria y otras.

Inicialmente esta área era dominada por ingenieros electrónicos o de maquinaria o de control, con conocimientos adquiridos en los dispositivos usados en la electrónica de potencia, hoy en día es una disciplina especializada.

La importancia del desarrollo de la Electrónica de Potencia en el país y el mundo se centra en el medio en que se utiliza esta técnica la cual ha permitido el desarrollo de nuevas tecnologías en la fabricación de procesos antes aletargados por los dispositivos existentes y/o las técnicas empleadas

En nuestro país el inicio de la Electrónica en General esta íntimamente ligado al inicio de la radiodifusión a fines de la década de los 30, con radios transmisores, receptores HF y algunos receptores superheterodinos utilizados por los radioaficionados de aquellas inicios.

Es a mediados de los años 40 que el primer sistema de control para Tableros de Control de Energía de Centrales Hidroeléctricas es instalado en el país.

Varios sistemas industriales a fines de los 40 comienzan a trabajar con triodos (tiratrones) y diodos en sus sistemas básicos de control (hablamos del paso de interruptores y conmutadores electromecánicos al paso de los primeros sistemas electrónicos de conmutación), en los claustros universitarios ya se hace mención de la técnica llamada Electrónica de potencia.

En el inicio de los años 60, los sistemas de conmutación seguían siendo electromecánicos, pasando luego a transistorizarce comenzando a incursionar en diferentes campos antes no utilizados (control de temperatura, luz, velocidad de motores, etc.), los tubos comienzan a desaparecer. Aparece en el mundo a inicios de 1960 el SCR (los tiristores en reminiscencia a las válvulas tiratrones). En el mundo la fabricación de tubos desaparece a fines de 1967.

En 1962 llegan las primeras computadoras a la UNI e IBM, es la 1620 de IBM a tubos y memoria de ferrita. En 1964 se instala la primera estación Satelital el MINITRACK DE ANCON.

Aparece por esos años la serie 74 de circuitos integrados de Texas Instrument y Motorola, teniendo sus primeras aplicaciones en la industria del plástico en el país (66-67) para inyección de plásticos (uso de IC serié 74 y transistores)

A mediado de 1965 se deja de usar el triodo y el relé en la industria nacional siendo sustituidos por el tiristor.



Con la llegada de los microprocesadores como el 4040 y 4044 de INTEL se pasa al control programable (de 4 bits).

La llegada de microprocesadores como el 8080 de Motorola y Z80 de Zilog a mediados de 1977 la industria nacional comienza hablar de procesos automatizados y la Electrónica de Potencia deja de ser una técnica para expertos, pasando a convertirse en una disciplina de estudio ampliamente difundido en nuestro medio industrial.

En los años subsiguientes el desarrollo es exponencial, preveyendose el uso de tecnologías mixtas, el uso de la robótica y la prevención de la conservación de la energía y medio ambiente. Los estándares de calidad como el ISO 9001 y 14000 han comenzado ha obligar a pensar en la automatización con Controladores Lógicos Programables (PLC) y microcontroladores las industrias locales, si es que las mismas quieren llegar a competir con el mercado internacional, lo que involucra una mayor capacitación en áreas como la Electrónica de Potencia, Electrónica Industrial y la hoy novísima Mecatrónica que conjuntamente con la microelectrónica se dislumbran como las nuevas sendas de estudio en los centros de Educación Superior Tecnologica y universitarios.

RESUMEN CAPITULO I:

Entre la electrotecnia y la electrónica se desarrolla una nueva técnica, la electrónica de potencia. En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren que se entreguen una cantidad de potencia eléctrica variable y controlada. La iluminación, el control de velocidad de un motor, la soldadura eléctrica y el calentamiento eléctrico, son las cuatro operaciones más comunes.

El avance de dispositivos semiconductores como el scr, diac y triacs ha permitido el avance de esta aplicación conocida también como electrónica de corrientes fuertes. La reciprocidad entre la electrónica de corrientes débiles y las fuertes se ve menguada por diferencias saltantes entre ambas En electrónica de corrientes fuertes, el concepto principal en toda transformación es el de rendimiento; en la electrónica de corrientes débiles lo que interesa esencialmente es la relación que se establece entre las señales de entrada y de salida.

En el Perú el desarrollo de la Electrónica en General esta ligada a la radiodifusión, es en la década de los 40 que se implementa el primer sistema de control electrónico en el país, desde la década del 60 el avance es exponencial, por lo que podemos afirmar que la Electrónica de Potencia en manos de la automatización, jugaran un rol más que importante en la nueva industria nacional.

PREGUNTAS DE REPASO: 1. ¿Cuales son las cuatro operaciones mas comunes de la industria?2. ¿Cual es el otro nombre que recibe la Electrónica de Potencia?3. ¿Estáticamente, cual es el papel análogo de los semiconductores respecto al de los interruptores

mecánicos? 4. ¿Cual es la principal diferencia entre la electrónica de corrientes débiles y la de corrientes fuertes?5. Conoce Ud. el termino “semiconductor”, cite los principales semiconductores que conoce.6. Conoce Ud. el termino “dispositivo de estado sólido”, explique brevemente.7. ¿Cuantos dispositivos de estado sólido conoce?8. ¿Porque nace la Electrónica de Potencia?9. ¿Para que sirven las señales de control?10. ¿Qué requisitos debe poseer un componente básico de un circuito de electrónica de potencia?11. ¿Se inicio la Electrónica en General en el Perú con la Electrónica de Potencia?, Explique.12. ¿Qué decada marca el inicio de los sistemas de control?, ¿Quienes son los primeros beneficiados?13. ¿La llegada de los transistores aporta nuevos cambios?14. En la industria de la región, conoce Ud. el desarrollo de la Electrónica de Potencia o de la Electrónica

en General. De ser posible desarrolle un cuadro sinóptico del mismo.



CAPITULO 2: DIODOS SEMICONDUCTORES

2.1 DIODO IDEAL

El propósito de este capítulo es el estudio del diodo; estructura, funcionamiento, tipos y aplicaciones. Por su significado, la palabra “diodo” es un termino que significa dos electrodos (ánodo y cátodo). Funcionalmente es el más sencillo de los dispositivos semiconductores, pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. El diodo es el dispositivo electrónico no lineal más simple, esto significa que la aplicación de la suma de dos tensiones produce una corriente que no es la suma de las dos corrientes resultantes por separado. La característica no lineal del diodo es la razón por la que encuentra tantas aplicaciones en electrónica. El diodo ideal tiene el símbolo y las características que se muestran en la figura 2.1.

Fig. 2.1 La figura muestra el símbolo de un diodo y la gráfica de la característica corriente vs voltaje.

Como se puede apreciar en el símbolo del diodo, este presenta una polaridad entre sus terminales, el extremo de la derecha presenta polaridad negativa, representada por la línea corta (cátodo), y el extremo de la izquierda polaridad positiva representada por la base del triángulo (ánodo).

Otra forma de graficar esta característica vista en la fig. 2.1 la veremos a continuación Fig. 2.2, donde es sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de “conducción” o en la de “no-conducción” observando tan sólo la dirección de la corriente if establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del símbolo de dicho elemento, éste opera en la región de conducción (parte derecha del eje del voltaje de la fig. 2.1 y hacia arriba en el eje de la corriente); de lo contrario en la región de no-conducción (parte izquierda del eje del voltaje de la fig. 2.1 y hacia abajo en el eje de la corriente).



Fig. 2.2 La gráfica presenta Los dos estados del diodo al suministrarle un voltaje, la orientación de la corriente simboliza la polaridad de la tensión aplicada. Esto nos lleva a un estado de conducción (corto circuito) y de no conducción (circuito abierto) del diodo.

MATERIALES SEMICONDUCTORES

No se puede entender las características de los dispositivos semiconductores, sino se tiene un conocimiento previo de la estructura de los materiales semiconductores. Esto nos lleva a un conocimiento más profundo aún que es el de las propiedades atómicas básicas de la materia.

El estudio de los fenómenos eléctricos se remonta a tiempos inmemorables, siendo el electrón el promotor de dichos efectos. Para entender su comportamiento se han realizado muchos experimentos y estudios, es así que nace la concepción del átomo, él cual se idealiza como un núcleo, muy pesado cargado positivamente, rodeado de electrones. El núcleo ejerce una fuerza de atracción sobre los electrones; estos caerían en el núcleo sino fuera por la fuerza centrífuga de su movimiento. Esto nos lleva a la concepción de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en una órbita cerrada, que puede ser un circulo o una elipse, análoga al movimiento de los planetas alrededor del Sol. Cuando un electrón se mueve en una órbita estable, tiene exactamente la velocidad necesaria para que la fuerza centrífuga compense la atracción nuclear.

2.2.1 NIVELES DE ENERGIA

La forma de orbitar de los electrones alrededor del átomo podría pensarse que puede realizarse a cualquier radio, siempre que su velocidad tenga el valor necesario. La física moderna nos dice que sólo son permitidos ciertos radios de órbita. No se concibe a un electrón viajando en órbitas intermedias. En la fig. 2.3 se da cuenta de que los electrones viajan en órbitas establecidas (Sí se desea saber por qué, se recomienda estudiar física cuántica). Para que un electrón pase de una órbita a otra se requiere una cierta cantidad de energía, si es que el paso es de una órbita próxima al núcleo a una más distante, porque se debe efectuar un trabajo para contrarrestar la atracción del núcleo. Se entiende, que cuando más alejada esta la órbita del núcleo mayor será la energía potencial. Cualquier electrón que haya abandonado su átomo padre tiene un estado de energía más alto que el de cualquier electrón en la estructura atómica.



Fig. 2.3 La figura muestra la simbolización bidimencional del átomo de Silicio aislado. Contiene 14 protones en el núcleo. Dos electrones se mueven en la primera órbita, ocho electrones en la segunda y cuatro en la órbita exterior o de valencia. Los 14 electrones orbitales neutralizan la carga de los 14 protones, de tal forma que el átomo se comporta eléctricamente neutro a cierta distancia. El átomo de silicio es “tetravalente", pues lleva cuatro electrones en su banda de valencia.

2.2.2 REDES CRISTALINAS

El átomo presenta una órbita exterior o de valencia. Según el número de electrones que presenta se determina el valor de valencia. Para ser estable químicamente un átomo necesita ocho electrones en su órbita de valencia. De está forma todos los átomos buscan combinaciones con otros de tal manera que lleguen a tener 8 electrones en su banda de valencia.

Fig. 2.4 Por comodidad la representación gráfica de las órbitas curvas se realiza en forma de líneas horizontales. Cada línea horizontal se denominada NIVEL DE ENERGIA. La flecha indica que a medida que nos alejamos del núcleo más elevada es la energía del electrón y mayor la trayectoria de la órbita.

Conforme los átomos de un material se acercan entre sí para formar un sólido, se acomodan siguiendo una configuración ordenada llamada cristal, para formar la estructura de la red cristalina, hay una interacción entre átomos que dará como resultado que los electrones en una órbita particular de un átomo tengan niveles de energía un poco diferentes a los de los electrones en la misma órbita de un átomo adyacente. En al fig. 2.5 se da cuenta en forma gráfica del nuivel de valencia. Nótese que aún se encuentran niveles frontera y estados de energía máximos en los que



puede encontrarse cualquier electrón en la red atómica, y que persiste una región prohibida entre la banda de valencia y el nivel de ionización. Recuérdese que la ionización es un mecanismo mediante el cual un electrón puede absorber suficiente energía para desprenderse de la estructura atómica y unirse a portadores “libres” en la banda de conducción. Para poder explicar muchos fenómenos asociados con la conducción en gases, metales y semiconductores, y la emisión de electrones de la superficie de un metal, es necesario suponer que el átomo tiene electrones con enlaces débiles que pueden separarse de él. Se notará que la energía se mide en electrón-volts (eV)

Fig. 2.5 Niveles de energía de las bandas de valencia y de conducción de un aislador, semiconductor y un conductor.

Nuestro interés se fija en los materiales semiconductores, él termino semiconductor proporciona una pista en cuanto a las características de este dispositivo. El prefijo semi se aplica por lo general a todo aquello que se encuentre a la mitad entre dos límites. El término conductor se aplica a cualquier material que permita un flujo considerable de electrones debido a la aplicación de una cantidad limitada de presión externa. Un semiconductor, por tanto, es un material que tiene un nivel de conductividad en algún lugar entre los extremos de un aislador (de muy baja conductividad) y un conductor, como el cobre, que tiene un alto nivel de conductividad. En relación inversa con la conductividad de un material está su resistencia al flujo de carga o corriente. Esto es, cuanto mayor sea el nivel de conductividad, menor será el nivel de resistencia.

En la figura 2.3 se muestra el modelo de Bohr del átomo de silicio, el cual consta de 14 electrones girando alrededor del núcleo. El átomo de germanio tiene 32 electrones orbitales. En cada caso, hay 4 electrones en la capa exterior (de valencia). En un cristal puro de germanio o silicio estos 4 electrones de valencia se encuentran unidos a 4 átomos adyacentes, como se muestra para el silicio en la figura 2.6.

Este tipo de unión, formada por electrones compartidos, recibe el nombre de enlace covalente o par de electrones. A pesar de que el enlace covalente permite una unión más fuerte entre los electrones de valencia y sus átomos padres, persiste la posibilidad de que los electrones de valencia absorban suficiente energía para romper el enlace covalente y asumir el estado "libre". Los materiales intrínsecos son aquellos semiconductores que se han refinado con todo cuidado para reducir las



impurezas a un nivel muy bajo (en esencia con una pureza tan alta como la que puede obtenerse con la tecnología moderna). Los electrones libres en el material que se deben sólo a causas naturales se conocen como portadores intrínsecos. Se sigue considerando malos conductores a estos materiales en el estado intrínseco.

Los materiales que han recibido la mayor atención en el desarrollo de los dispositivos semiconductores son el germanio (Ge) y silicio (Si), esto no significa que éstos no son los únicos dos materiales semiconductores. En años recientes la tendencia se ha desviado firmemente hacia el silicio, alejándose el germanio, pero éste se sigue produciendo aunque en menor cantidad. El Ge y el Si han recibido atención por varias razones. Una consideración muy importante es el hecho de que pueden manufacturarse con un muy alto nivel de pureza. La capacidad para cambiar las características del material de manera significativa a través del proceso de “impurificación”, es otra razón por la que el Ge y el Si han recibido tanta atención. Otras razones incluyen el hecho de que sus características pueden alterarse notablemente mediante la aplicación de calor y luz (una consideración importante en el desarrollo de los dispositivos sensibles a la luz y al calor).

Fig. 2.6 Red cristalina de silicio. Los átomos comparten electrones mediante enlaces covalentes.

Cualquier material compuesto únicamente de estructuras cristalinas repetitivas del mismo tipo se llama estructura monocristalina. En materiales semiconductores de aplicación práctica en el campo de la electrónica, existe esta característica monocristalina y, además, la periodicidad de la estructura no cambia de manera importante con la adición de impurezas en el proceso de impurificación.

2.3 MATERIALES EXTRINSECOS TIPO n Y TIPO p

Un material semiconductor que se ha sometido a este proceso de impurificación se denomina material extrínseco. Hay dos materiales extrínsecos de importancia invaluable para la fabricación de dispositivos semiconductores; el tipo n y el tipo p. Cada uno se describirá con cierto detalle en los siguientes párrafos.

2.3.1 TIPO n

Tanto los materiales tipo n como los de tipo p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impureza a una base de silicio o germanio. El tipo n se crea añadiendo todos aquellos elementos de impureza que tenga cinco electrones de



valencia (pentavalentes), como antimonio, arsénico y fósforo. El efecto de estas impurezas se indican en la figura 2.7 (empleando antimonio como impureza en una base de silicio). Nótese que los cuatro enlaces covalentes aún están presentes. Sin embargo, hay un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, el cual no está asociado con algún enlace covalente particular. Este electrón sobrante, unido débilmente a su átomo padre (antimonio), se puede mover más o menos con cierta libertad dentro del material tipo n recién formado. Puesto que el átomo de impureza insertado ha donado a la estructura un electrón relativamente “libre”, las impurezas con cinco electrones de valencia se denominan átomos donantes.

Fig. 2.7 El material semiconductor tipo n, con impureza de Antimonio, muestra la presencia de un electrón libre.

En la fig. 2.8 se muestra el efecto de este proceso de impurificación sobre la conductividad relativa y para describirse de mejor manera se emplea el diagrama de bandas de energía. En este tipo de materiales se dice que los portadores mayoritarios son los electrones y a los portadores minoritarios se les conoce como “huecos”, este termino se especifica con mayor cuidado en el siguiente punto, pero por ahora se entenderá como hueco a la ausencia de un electrón en su posición original, esto debido al traslado del mismo por ganancia de energía. La importancia del hueco es que puede servir como un portador de electricidad, comparable a la del electrón libre.

2.3.2 TIPO pEl material tipo p se forma introduciendo una impureza trivalente sobre un cristal puro de germanio o silicio. Los elementos que se emplean con mayor frecuencia para este propósito son el boro, el galio y el indio. El efecto de uno de estos elementos (el boro) sobre una base de silicio se indica en la figura 2.9.

Nótese que ahora hay un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red recién formada. La vacancia que resulta se denomina hueco y se presentan por medio de un pequeño círculo o signo positivo, debido a la ausencia de carga negativa. Puesto que la vacancia resultante aceptará de inmediato un electrón “libre”, las impurezas añadidas reciben el nombre de átomos aceptores. En el material tipo p resultante los portadores mayoritarios serán los huecos y los



minoritarios los electrones. Para entender mejor el efecto causado se realizará el diagrama de bandas en la figura 2.10.

Cuando el quinto electrón de un átomo donador abandona al átomo padre, el átomo que permanece adquiere una carga positiva neta: a esto se debe el signo positivo en la representación ion donador. Por razones similares, el signo negativo aparece en el ion aceptor.

2.4 DIODOS SEMICONDUCTORES

Si se introduce en un cristal único de un semiconductor intrínseco (Si o Ge), impurezas donadoras por un extremo y aceptadoras por el otro, se forma una unión PN. La figura 2.11 da muestra de ello. El ion donador se indica esquemáticamente por el signo más, puesto que al donar un ion este átomo de impureza, queda cargado el ion positivamente.

Fig. 2.8 Diagrama de Bandas de energía de un semiconductor tipo n. En el se ilustra el efecto de las impurezas donadoras sobre la estructura de las bandas de energía. Para el Ge la distancia del nuevo nivel discreto de energía permitido, inferior a la banda de conducción, es 0.01 eV y 0.05 para el Si

Fig. 2.9 El material semiconductor tipo p, con impureza de Boro, muestra la presencia de una vacancia o hueco.



Fig. 2.10 Diagrama de Bandas de energía de un semiconductor tipo p. En el se ilustra el efecto de las impurezas aceptadoras sobre la estructura de las bandas de energía.

El ion aceptador se indica por un signo menos, puesto que al aceptar un electrón este átomo, queda cargado el ion positivamente. Inicialmente, hay solamente portadores tipo p a la izquierda de la unión y portadores tipo n a la derecha.

2.4.1 UNION PN SIN TENSION EXTERNA

Se conoce como el fenómeno de recombinación al hecho de que un electrón pueda caer dentro de un hueco. La recombinación es la fusión de un electrón y un hueco, cuando esto se lleva a cabo el hueco no se mueve, simplemente desaparece. Al inicio en la unión PN existe una diferencia de concentración a través de la unión, los huecos se difundirán a la derecha cruzando la unión y los electrones a la izquierda. Esto es debido a la mutua repulsión de los electrones libres del lado n por lo cual tienden a difundirse o espaciarse en todas direcciones, por lo cual algunos se difunden a través de la unión. Cuando un electrón libre deja la región n, crea un átomo cargado positivamente (ion positivo). Cuando el electrón pasa a la región p, se convierte en portador minoritario con corto tiempo de vida. Rápidamente el electrón caerá en un hueco. Cuando esto sucede el hueco desaparece y el átomo asociado se carga negativamente.



Fig. 2.11 Unión PN sin polarización externa. Se muestra en la figura la barrera de potencial o capa de agotamiento.

Fig. 2.12.

Fig. 2.13.

Fig. 2.14. Figura de la barrera de energía potencial para los huecos

Fig. 2.15. Figura de la barrera de energía potencial para los electrones

Los portadores mayoritarios en el material tipo n deben superar las fuerzas de atracción de la capa de iones positivos en el material tipo n, así como el blindaje de los iones negativos en el material tipo p, para emigrar hacia la región neutra del material tipo p. Sin embargo, el número de portadores mayoritarios es tan grande en el material tipo n que invariablemente habrá un pequeño número de portadores mayoritarios con suficiente energía para pasar a través de la región de vaciamiento y llegar al material tipo p. De nuevo, el mismo tipo de análisis puede aplicarse a los portadores mayoritarios del material tipo p.

Como consecuencia del desplazamiento de estas cargas aparecerá un campo eléctrico en la unión. Se alcanzará el equilibrio cuando el campo llegue a ser suficientemente grande como para compensar el proceso de difusión. En la figura 2.12 se dibuja la forma general de la distribución de carga. Las cargas eléctricas están situadas en las proximidades de la unión, y son debidas a los iones inmóviles. Los iones no neutralizados en la proximidad de la unión se denominan cargas descubiertas. Puesto que la unión no contiene cargas móviles se denomina región de deplexión, de carga de espacio, de transición, de vaciamiento, o de barrera de potencial. El espesor de esta región es del orden de 1 micra. En la figura 2.13 se indica la intensidad de campo electrico en la unión. Obsérvese que esta curva es la integral de la función de densidad de carga (rho) de la figura 2.12. En la figura 2.14 se muestra la variación del potencial electrostático en la zona de carga de espacio, y es la integral cambiada de signo de la función de intensidad de campo electrico E de la figura 2.13. Esta variación constituye una barreda de energía potencial, que impide que se difundan más aún los huecos a través de la unión. En la figura 2.15 se dibuja la forma de la barreda de energía potencial que se opone al flujo de electrones del lado n a través de la unión. Es similar a la figura 2.14 excepto que está invertida, puesto que la carga del electrón es negativa.



Ahora considere un poco más la necesidad de la existencia de una barreda de potencial, si imaginamos un electrón libre en la región n difundiéndose a la izquierda hacia el interior de la capa de agotamiento, ahí encuentra una pared negativa de iones empujándolo hacia la derecha. Si el electrón libre tiene suficiente energía, puede romper la pared y entrar en la región p, donde cae en un hueco y crea otro ion negativo. La energía de la capa de agotamiento continúa aumentando con cada cruce de electrón hasta que llega al equilibrio; es aquí donde la repulsión interna de la capa de agotamiento detiene la difusión posterior de electrones libres a través de la unión. Esta condición de equilibrio nos permita calcular la altura de la barreda de potencial UTO de 0.2 V para el Ge y 0.7 para el Si, a temperatura ambiente de 20°C.

2.4.2 UNION PN POLARIZADA EN SENTIDO DE BLOQUEO

Aplicando un potencial externo de V Volts a la unión p-n de manera tal que la terminal positiva esté conectada al material tipo n y la terminal negativa al material tipo p, como se muestra en la figura 2.16, el número de iones positivos descubiertos en la región de vaciamiento del material tipo n aumentará debido al mayor número de electrones “libres” arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. Por razones similares, el número de iones negativos descubiertos se incrementará en el material tipo p. Los electrones salientes dejan más iones positivos cerca de la unión, y los huecos salientes dejan más iones negativos. En consecuencia, se produce un ensanchamiento de la región de barrera de potencial, que establecerá una barrera demasiado grande como para que los portadores mayoritarios puedan superarla, reduciendo efectivamente el flujo de los mismos a cero. Existe una corriente muy pequeña debido al número de portadores minoritarios que están entrando en la región de barrera de potencial, este flujo de portadores minoritarios es de apenas unos cuantos microampers, y su valor no depende del voltaje inverso aplicado, si no más bien esta en relación directa a la variación de la temperatura. Está corriente de saturación (Is), es menor en un diodo de Si que en uno de Ge, está es la razón por la que el silicio domina el campo de los semiconductores.

2.4.3 UNION PN POLARIZADO EN SENTIDO DE CONDUCCION

Si se establece una polarización directa aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al material tipo n, como se indica en la figura 2.17. Para recordar debe notarse que el signo (+) se conecta al lado p y el signo (-) al lado n. A pesar de la polarización directa se mantiene el flujo de portadores minoritarios (Is) en sentido y en magnitud, pero la reducción del ancho de la región de barreda potencial ha provocado un flujo de portadores mayoritarios denso a través de la unión (IM). De aquí que la magnitud de la intensidad el diodo (IF) esté dada por:

Donde IM >>IS.



Fig. 2.16. Unión PN polarizada en sentido inverso, Muestra la corriente de saturación Is.

Fig. 2.17. Unión PN polarizada directamente.



CAPITULO 4: TRIAC

4.1 Introducción

A diferencia de un SCR el TRIAC puede conducir corriente en cualquiera de las dos direcciones cuando es llevado a CONDUCCION.

Cuando el TRIAC es BLOQUEADO, no puede fluir corriente entre sus terminales principales independiente de la polaridad de la fuente externa aplicada. Por tanto, el TRIAC actúa como un interruptor abierto.

Cuando el TRIAC es llevado a CONDUCCION, presenta una resistencia muy baja al paso de la corriente en el camino de un terminal principal al otro, donde el sentido del flujo depende de la polaridad de fuente externa aplicada. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es más positivo MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En cualquier caso el triac actúa como un interruptor cerrado.

Figura 4-1

Podemos mencionar que la disposición o comportamiento de un TRIAC asemeja en gran medida a la disposición de dos SCR conectados en antiparalelo, pues esta tipo de configuración responde de manera semejante al de un TRIAC, representándose en gran medida esta configuración para describir al TRIAC

Figura 4-2.- SCR en antiparalelo

La figura 4-2 nos muestra la configuración de dos SCR en antiparalelo.

La figura 4-3 muestra las relaciones circuitales entre la fuente de voltaje, el triac y la carga. El triac está conectado en serie con la carga al igual que un SCR. El valor promedio de la corriente que se entrega a la carga puede afectarse variando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en estado de CONDUCCION. Si permanece en el estado de CONDUCCION durante una pequeña porción del tiempo de ciclo, el promedio de la corriente que fluye durante muchos ciclos será bajo. Si permanece en el estado


Puerta (G)

Anodo 2 (A2)o

Terminal principal 2 (MT2)

Anodo 1 (A1)o

terminal principal 1 (MT1)

Diferentes nominaciones para los terminales del TRIAC, utilizados en textos y manuales, según la norma o estándar a la que esta sujeta.La primera nominación (A1 y A2) es según el estándar DIN


de CONDUCCION durante una gran porción del tiempo de ciclo, entonces el promedio de la corriente será alto.

Figura 4 -3

A diferencia de otros tiristores el TRIAC no está limitado a 180º de conducción por ciclo. Con el adecuado arreglo de disparo, pueden conducir por la totalidad de los 360º por ciclo. Entonces proporciona control de potencia de onda completa en lugar del control de potencia de media onda posible con un SCR.

Los triacs tienen las mismas ventajas que tienen los SCR y los transistores sobre los interruptores mecánicos. No tienen el rebote de contacto, no se produce arco en los contactos parcialmente abiertos, y pueden operarse mucho más rápido que los interruptores mecánicos, por tanto permiten un control de corriente más preciso.

FORMAS DE ONDA EN LOS TRIACS

Las formas de onda en los triacs son similares a las formas de onda en los SCR, excepto que pueden cebarse en el semiciclo negativo. La figura 4-4 muestra las formas de onda de voltaje en la carga y voltaje en el triac (entre los terminales principales) para tres condiciones diferentes.

La forma de onda de la figura 4-4 (a) muestra al triac en CORTE durante los primeros 30º de cada semiciclo; durante estos 30º el triac está actuando como un interruptor abierto. Durante este tiempo la totalidad del voltaje de línea cae a través de los terminales principales del triac, y no se aplica voltaje a la carga. Entonces no hay flujo de corriente por el triac o por la carga.


MT2

MT1

Carga

Circuito de disparo o control de G

Fuente


Figura 4-4

La porción de semiciclo durante el cual existe esta situación se denominan ángulo de disparo, igual que para el caso del SCR. Después de transcurridos los 30º, el triac se ceba o CONDUCE, y actúa como un interruptor cerrado. En este instante el triac comienza a conducir a través de sus terminales principales y a través de la carga y continúa la conducción de corriente por el resto del semiciclo (véase la segunda parte de la figura 4-4 (a)). Denominamos ángulo de conducción a la porción del semiciclo durante la cual el triac esta en CONDUCCION. El ángulo de conducción en la figura 4-4 (a) es 150º. Las formas de onda muestran que durante el ángulo de conducción la totalidad del voltaje de línea se aplica a la carga, y cero voltaje aparece a través de los terminales principales del triac.

Se muestra la misma forma de onda (en la figura 4-4 (b)) con un ángulo de disparo más grande. En la figura 4-4 (b)el ángulo de disparo es 120º y el ángulo de conducción es 60º. Dado que la corriente fluye durante una pequeña porción de la totalidad del ciclo en este caso, el promedio de corriente es menor que cuando se encontraba en la condición de la figura 4-4 (a). Por tanto se transfiere menos potencia de la fuente a la carga.

Los triacs, al igual que los SCR y muchos otros dispositivos semiconductores, presentan un notorio rango de variación en sus características eléctricas. Este problema es especialmente evidente con los triacs porque usualmente sucede que los requerimientos de disparo son diferentes para las dos polaridades de la fuente de voltaje. La figura 4-4 (c) muestra formas de onda las cuales ilustran este problema. La forma de onda del triac en la figura 4-4 (c) muestra un ángulo de disparo más pequeño en el semiciclo positivo que en el semiciclo negativo, esto es debido a la tendencia del triac a dispararse más fácilmente en el semiciclo positivo. Otro triac del mismo tipo podría presentar una tendencia a dispararse más fácilmente durante el semiciclo negativo; en este caso el ángulo de disparo negativo sería más pequeño. Algunas veces tal consistencia en la operación de disparo no puede tolerarse.

4.2 Características del TRIAC

Cuando un triac está polarizado con un voltaje externo más positivo en MT2 (llamada directa o polarización de terminal principal positivo), generalmente se dispara por una corriente que fluye de la puerta a MT1. Las polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes en este caso se muestran en la figura 4-5 (a).



(a) (b)

Figura 4-5

Cuando está polarizado como se muestra en la figura 4-5 (a), el disparo del triac es idéntico al disparo de un SCR. El terminal G es positivo con respecto a MT1, lo cual hace que la corriente de disparo fluya hacia el dispositivo desde el terminal de puerta y hacia fuera del dispositivo por el terminal MT1. El voltaje de puerta necesario para disparar el triac está simbolizado por UGT; la corriente de puerta necesaria para el disparo esta simbolizado por IGT. La mayoría de los triacs de mediana potencia tienen un UGT del orden de 0,6 a 2,0 V y una IGT de 0,1 a 20 mA. Como es usual estas características varían considerablemente con cambio en la temperatura. Las variaciones típicas de las características con la temperatura se encuentran gratificadas en las hojas de datos que proporciona el fabricante.

Cuando el triac está polarizado más positivo en MT1 (denominado inverso o polarizado de terminal principal negativo), como se muestra en la figura 4-5 (b), el disparo se ejecuta enviando corriente de puerta al triac por el terminal MT1 y hacia fuera del triac por el terminal G. El voltaje de puerta será negativo con respecto a MT1 para realizarlo. La polaridad de los voltajes y las direcciones de las corrientes para el caso de polarización inversa se ilustran en la figura 4-5 (b).

Para un triac en particular, la IGT para polarización directa puede ser bastantes diferente de la IGT para polarización inversa, tal como se menciono en la Sección 4-1. Sin embargo, se consideran muchos TRIACs del mismo tipo, la IGT para polarización directa será igual a la IGT de polarización inversa.

Un triac, al igual que un SCR, no requiere que continúe circulando corriente de puerta una vez ha sido cebado. El triac permanece en CONDUCCION hasta que cambie la polaridad de sus terminales principales o hasta que la corriente principal caiga por debajo de la corriente de retención o mantenimiento, IHO. La mayoría de los triacs de mediana potencia tienen una IHO del orden de 100 mA o menos.

Otras características eléctricas importantes las cuales se aplican a los triacs son: (a) el valor rms de la máxima corriente principal permitida, IT(RMS) y (b) el valor de voltaje de ruptura, VDROM, el cual es el voltaje máximo de pico aplicado entre los

terminales principales que puede bloquear el triac en cualquier dirección.

Si el voltaje instantáneo aplicado entre los terminales MT2 y MT1 excediera VDROM, el triac se rompe y comienza a dejar circular corriente por los terminales principales. Esto no daña el triac, pero significa una pérdida del control de puerta. Para prevenir la ruptura, el triac deberá tener un valor de VDROM mucho mayor que el valor de pico del voltaje c.a. que maneja el circuito. Los valores más usuales de VDROM para los triacs son 100, 200, 400 y 600 V.


Terminal principal en polarización directa

MT2

MT1

CARGA

Corriente principal

VGCorriente de Puerta

+

+-

-

Terminal principal en polarización inversa

MT2

MT1

CARGA

Corriente principal

VGCorriente de Puerta

++-

-


Para muchos fabricantes, la secuencia de valores de IT(RMS) disponibles es 1, 3, 6, 10, 15 y 25 A; otras secuencias similares son también usadas por fabricantes de triacs.

Otro valor eléctrico importante el cual lo dan los fabricantes en las hojas de especificaciones es U T, voltaje a través de los terminales principales en estado de CONDUCCION.

Idealmente, el voltaje en estado de CONDUCCION deberá ser 0 V, pero generalmente U T está entre 1 y 2 V en los triacs reales, lo mismo que para los SCR. Un valor de UT bajo es deseable porque significa que el triac en condición cerrado duplica la acción de un interruptor mecánico, aplicando la totalidad del voltaje a la carga. También significa que el triac mismo disipa una potencia muy pequeña.

La potencia disipada en el triac está dada por el producto de la corriente principal y el voltaje entre los terminales principales. Es indeseable una gran disipación de potencia desde el punto de vista de protección del triac de las altas temperaturas y también desde el punto de vista de transferencia económica de energía de la fuente a la carga.

4.3 Análisis de la relación entre la tensión de disparo y la tensión directa de bloqueo

Como hemos visto la tensión de disparo UGT debe ser lo suficientemente alta para permitir disparar el TRIAC, pero sin que esta tensión supere los limites permitidos por el fabricante, el cual al entregamos los valores de voltaje de ruptura UDRM que es la tensión máxima de pico que se puede aplicar al TRIAC y que este puede bloquear asimismo el UT que es el voltaje entre terminales en estado de conducción nos permite identificar con claridad los limites entre los cuales nuestra tensión de disparo debe operar (aunque la mayoría nos da la tensión de disparo segura UGT siempre es bueno conocer los limites entre los cuales puede ubicarse nuestro circuito y dispositivo).

Alcanzada la tensión de disparo podremos apreciar que la tensión directa de bloqueo disminuye, esto debido a que la tensión de disparo y la tensión de conducción entre terminales UT es inversamente proporcional (aunque esta definición de por si es inexacta, sirve para poder explicar el comportamiento de los mismos) por lo explicado en la sección 4.2 tiende a bajar lo que le da al TRIAC esa caracteristica tan importante de accionar o trabajar como interruptor mecánico, aplicando la totalidad del voltaje a la carga.

Si bien es cierto el presente análisis deja algunas dudas, (estas se disiparan en el momento en que hablemos del cebado del TRIAC), su funcionamiento en conmutación o la manera de operar el mismo para conmutarlo determina en gran manera el tipo de tensión de disparo del mismo. Hablaremos más adelante de las tensiones de disparo para cada cuadrante, pero las relaciones entre la tensión de disparo y la tensión directa de bloqueo se siguen manteniendo.

4.4 Explicación de funcionamiento del circuito fig. 3.1 del manual de laboratorio con el triac BT137/800.

En el circuito de la figura podemos apreciar la conexión de la fuente de corriente alterna de 24 voltios a la carga que para nuestro caso es una lampara de 24V/3W, que a su vez alimenta al circuito de disparo formado por las resistencia R1 y R2 (R2 es un potenciometro). El TRIAC por lo explicado anteriormente es un dispositivo semiconductor cuya caracteristica lo asemeja a tener dos SCR en antiparalelo, lo que nos permite vislumbrar que para una tensión de alimentación como la alterna, puede conducir en ambos semiciclos.

El interruptor S1 en posición de ON, y variando la tensión por medio del potenciometro, logramos disparar al TRIAC, al cual mediante las condiciones estipuladas podremos observar en el osciloscopio sus características de funcionamiento (para ello es que se coloca la resistencia de 10 como medio para poder convertir la sensibilidad del canal Y2 de V/cm a mA/cm).

Como en el caso del SCR podremos ir midiendo los valores de tensión de disparo e ir comparando con la de bloqueo.



La figura 3.1 del Manual de Laboratorio es la siguiente:

Figura 3.1 del manual de laboratorio

Estas mediciones nos permiten observar como al aumentar la tensión de disparo y permitir que el TRIAC entre en estado de CONDUCCIÓN (aun para tensiones pequeñas en el ánodo 2 y el ánodo 1) disminuya la tensión directa de bloqueo UD siempre respetando los valores permisibles de UGT (tensión de disparo segura)

La curva caracteristica del triac muestra una simetría central, lo que indica un comportamiento similar en la conducción en ambos sentidos.

4.5 Respuesta de conmutación de un TRIAC

Existen algunas diferencias importantes entre el uso de un triac y el uso de un par de SCR en un circuito de alterna; mientras que hay un semiciclo entero para cada SCR para conseguir su bloqueo, en el TRIAC sólo hay el breve tiempo en que la corriente de carga pasa por cero para bloquearlo. Con cargas resistivas, este tiempo es suficiente, pero cuando se manejan cargas inductivas, como la corriente retrasa a la tensión, y las corrientes de reconversión actúan como corrientes virtuales de puerta y además hay una componente adicional de corriente debida a las capacidades de las uniones y a la dv/dt reaplicada, el triac puede volver a conducir en sentido inverso. Si la carga inductiva no es demasiado elevada, puede reducirse la dv/dt mediante la utilización de una red RC en paralelo con el TRIAC. En caso contrario se deben utilizar el par de SCR en oposición.



La figura 4-6 muestra un circuito inductivo y la forma de las ondas de tensión y corriente en la carga y en el TRIAC.

Figura 4-6

4.5.1 Análisis del comportamiento de un Triac ante el disparo en los cuatro cuadrantes posibles.

CEBADO DEL TRIAC

Si se aplica la tensión V1 al ánodo A1, la tensión V2 al ánodo A2 y la tensión VG a la puerta, y si tomamos V1 como masa de referencia (V1 = 0), podemos definir 4 cuadrantes de polarización (fig. 4-7):

Figura 4-7


I +V2 +VG +IL +

I -V2 +VG -IL +

III +V2 -VG +IL -

III -V2 -VG -IL +

V2

VGII

IIVIII

MT2

MT1

VG

Tensión de Puerta

A2 (v2)

A1 (V1)

RL IL


CUADRANTE V2 VG NOTACIONI +I -

III +III -

> 0> 0< 0< 0

> 0< 0> 0< 0

+ ++ -- -- +

I +; MT2 +, G +: Corriente y tensión de puerta positivos. Primer cuadrante de la curva característica. Disparo muy sensible

I -; MT2 +, G - : Tensión y corriente de puerta negativos.Primer cuadrante de la curva característica. Disparo menos sensible

III +; MT2 -, G +: Tensión y corriente de puerta positivos.Tercer cuadrante de la curva característica. Disparo muy poco sensible

III -; MT2 -, G -: Tensión y corriente de puerta negativos.Tercer cuadrante de la curva característica. Disparo sensible.

4.5.2 Proceso de determinar las corrientes de retención

CORRIENTE DE RETENCIÓN O MANTENIMIENTO Y CORRIENTE DE ENGANCHE

Las definiciones dadas anteriormente para las corrientes de mantenimiento (IH) y de enganche (IHT) en la sección 2.2 siguen siendo válidas aquí.

Es decir la corriente de enganche es aquella corriente que hace que el tiristor (TRIAC) conmute o bascule del estado de bloqueo al de conducción, es una corriente instantánea y en las mediciones suele (para la persona poco experimentada) tomarse como la tensión de mantenimiento o retención. En la practica se ve un salto de corriente, esto es debido a que la corriente de enganche es de dos a tres veces la corriente de retención.

DETERMINACIÓN POR CUADRANTES

Para determinar la corriente de retención en cada cuadrante (I +, I -,III +, III -) debemos considerar el tipo de polarización al cual esta sometido el dispositivo en prueba (recuerde que dependiendo de la polarización, usted se hallara en un determinado cuadrante y esto determinara también el tipo de corriente de retención).

Como vemos en la figura 4-7 (en donde se coloca una carga y aparece su respectiva corriente de carga IL ) el TRIAC se halla en disposición para, con la configuración de disparo adecuado, conmute del estado de BLOQUEO al de CONDUCCIÓN.

Nuestra corriente de retención ira variando según el cuadrante, así, según la figura 4-7 (segunda parte) para el cuadrante I + y III + , esta corriente será positiva (por la tensión de puerta) y sus valores siempre oscilaran entre 0,1 a 20 mA (muy diferente a la IGT).

Para el cuadrante I – y III – esta corriente será negativa o de sentido inversa y se hallara en el mismo rango anteriormente descrito.

Recuerde que para obtener la medición de la corriente de retención o de mantenimiento, debe realizar más de una prueba, puesto que podría usted estar tomando la corriente de enganche. Para ello considere el ultimo valor de la corriente para la cual el dispositivo (TRIAC) todavía conduce.

4.6 Explicación de funcionamiento del circuito (fig. 4.1 del manual de laboratorio) con el tiristor BT137/800



La figura 4.1 del manual de laboratorio es la siguiente:

Figura 4-1 del manual de laboratorio

En el circuito de la figura 4.1 note la polarización de la fuente U2, esto sirve para tener una sensibilidad de disparo en conjunto para los cuadrante I y III.

Luego variando esta fuente c.c. U2, se obtendrá en la puerta G un valor IGT y UGT de tal manera que harán que el TRIAC dispare y que la lampara se encienda. La resistencia R1 sirve para asegurar que la corriente de dicho electrodo disminuya a un valor despreciable una vez producida la conmutación.

Disparo en el I +: A2 +, G +La corriente y tensión de puerta son positivos respecto a los terminales A1 y A2, esta ultima positiva respecto al primero. Logrando que el funcionamiento de disparo sea muy sensible. Por lo tanto se requiere el menor valor de corriente de compuerta que los otros 3 modos de disparo. (cuadrantes I -, III +, III -)

Disparo en el I -: A2 -, G +La tensión y corriente de puerta negativos, el funcionamiento de disparo es muy poco sensible.

Disparo en el III +: A2 -, G –La tensión y corrientes de puerta positivos, el disparo es sensible.

Disparo en el III -: A2 +, G –La tensión y corrientes de puerta negativos, disparo en menos sensible.

La disposición del circuito permite observar las respuesta de disparo del dispositivo semiconductor en prueba (el TRIAC) de manera tal que permite medir esta respuesta para cada cuadrante. Estas mediciones arrojaran a su vez determinaciones tales como cual cuadrante es mejor para conmutar el TRIAC, o cual cuadrante es el indicado para la operación predeterminada, por lo general es la persona que diseña el circuito la que toma estas decisión (lógicamente que esto también de depende del tipo de dispositivo o TRIAC que se piense utilizar dada las características con las cuales deberá operar, es decir el tipo de prueba u operación que el circuito que se desea implementar llevara a cabo).



RESUMEN CAPITULO 4:

El TRIAC puede conducir corriente en cualquiera de las dos direcciones cuando es llevado a conducción lo que le da una clara ventaja frente al SCR. Cuando esta bloqueado, no puede fluir corriente entre sus terminales, independientemente de la polaridad de la fuente externa aplicada.

Cuando el TRIAC esta polarizado con un voltaje mas positivo en su extremo MT2 (A2 para la norma DIN) se le llama polarización directa o polarización de terminal principal positivo y cuando es al revés es decir cuando su terminal principal se halla polarizado negativamente se le llama polarización inversa .

Al igual que en el SCR la relación de tensión de disparo y tensión directa de bloqueo es inversamente proporcional, pero con algunas características saltantes determinados por el tipo de cuadrante donde se trabaja.

Las diferencias entre el uso de un par de SCR y un TRIAC se hallan con facilidad en circuitos de corriente alterna dado que mientras hay un semiciclo entero para cada SCR para conseguir su bloqueo, en el TRIAC sólo hay el breve tiempo en que la carga pasa por cero para bloquearlo.

Se definen cuatro cuadrantes de polarización en un TRIAC, ha saber I+, I-, III+ y III-.

La corriente de retención ira variando por lo tanto en cada cuadrante oscilando sus valores entre 0,1 a 20 mA.

En el TRIAC a semejanza del SCR, tampoco se requiere que continúe circulando corriente de puerta una vez que ha sido cebado. Su forma de desactivación es semejante también al SCR necesitando simplemente que su corriente de retención disminuya o que se cambie la polaridad de sus terminales principales.

PREGUNTAS DE REPASO

1. ¿Qué es un TRIAC?2. Fluye corriente por el TRIAC cuando esta bloqueado, Explique brevemente.3. Cuando esta en conducción, que tipo de resistencia presenta entre sus terminales.4. Explique la polarización directa.5. Explique la polarización inversa.6. ¿Cuales son los valores de tensión de ruptura del TRIAC?7. ¿Cuales son los valores de corriente de retención?8. ¿Conduce un TRIAC en ambos semiciclos? Explique brevemente.9. Indique los cuatro cuadrantes y sus respuesta de sensibilidad de cada uno.10. Una vez cebado ¿Es necesario que circule corriente de puerta?11. Es igual la corriente de enganche a la corriente de retención. Explique.12. ¿Que es la corriente de enganche?13. ¿Es posible disparar un TRIAC en los cuatro cuadrantes?, Explique.14. ¿Cuales son los valores que debemos observar al adquirir o utilizar un TRIAC?15. ¿Como se pasa del estado activo al de desactivo?, Explique brevemente.16. Según sus consideraciones, ¿Cuál es el mejor cuadrante para operar un TRIAC?17. Analise brevemente la figura 3.1 del manual de laboratorio de Fundamentos de la Electrónica de

Potencia.



CAPITULO 5: DIAC

5.1 Introducción

Su nombre proviene de la contracción de “Diode Altenative Current”. Un DIAC es un dispositivo de dos electrodos y tres capas que funciona básicamente como un diodo de avalancha bidireccional que puede pasar del estado de bloqueo al estado conductivo con cualquier polaridad de la tensión aplicada entre los bornes terminales.

Figura 5-1.- Este es otro modo de representar al DIAC (utilizado mayormente en manuales y textos americanos)

Algunos autores definen al DIAC como elemento simétrico que no posee, por ende, polaridad.

5.2 Características del DIAC

De construcción similar a la de un transistor bipolar con una diferencia que es que la concentración de impurezas es aproximadamente la misma en ambas junturas, y que no hay ningún contacto a la capa de base. Las concentraciones iguales de impurezas resultan en características de bloqueo-conducción según nos muestra la imagen siguiente (figura 5-2):

Figura 5-2.- Curva caracteristica del DIAC

Cuando se aplica tensión positiva o negativa sobre los terminales del DIAC, se produce un flujo muy pequeño de corriente de pérdida IBO hasta que la tensión llega al punto de ruptura polarizada VBO En ese momento la juntura polarizada en sentido inverso sufre una ruptura por avalancha y por encima de ese punto la caracteristica tensión-corriente equivale a resistencia negativa, vale decir, la corriente aumenta acentuadamente a medida que disminuye la tensión.


MT2MT1


El DIAC puede y se representa como un par de diodos de cuatro capas en paralelo (según muestra la figura 5-3).

Figura 5-3.- Circuito equivalente de un diac

Idealmente es igual a la representación de la figura 5-4 donde es comparado a un circuito de dos interrupturos en paralelo. El DIAC no conduce hasta que la tensión aplicada en sus extremos no exceda la tensión de cebado en cualquier dirección.

(a) (b)

Figura 5-4.- Representación por interruptores de un DIAC

Según la figura 5-3, la tensión V, aplicada con la polaridad indicada, hara que el diodo izquierdo condusca cuando V supere la tensión de cebado. En este caso el interruptor (fig. 5-4 (b)) izquierdo se cierra.

Por el contrario, si la polaridad de V es opuesta a la de la figura 5-3, el resultado sería que el interruptor de la derecha se cerrara cuando V intentara exceder la tensión de cebadoLos DIACS se usan principalmente en dispositivos de disparo para control de fase de triacs en controles graduales de luminosidad, controles de velocidad de motores universales, controles de calefacción y otras aplicaciones similares.


V

+

-


Figura 5-5

La figura 5-5 muestra el diagrama circuital general para un circuito de control de fase con DIACS y triacs. La magnitud del pulso de corriente aplicado a la compuerta del triac se determinan por el valor de la capacitancia de desplazamiento de fase C, el cambio de tensión sobre el DIAC y su impedancia dinámica y la impedancia de compuerta del triac.

Cabe señalar en esta parte que para las normas internacionales, VBO es la tensión de ruptura del DIAC, siendo este para la tensión de ruptura directa (en voltajes aplicados en sentido directo - polarización directa) simplemente + VBO y para tensión de ruptura inversa (en voltajes aplicados en sentido indirecto o inverso) simplemente - VBO. Para la norma DIN la tensión de ruptura positiva (o tensión de ruptura directa) es U(Br)F y la tensión de ruptura negativa (o tensión de ruptura inversa) es UBrR.

Para nuestro caso de estudio nos referiremos a dichas tensiones como tensión de ruptura positiva U (Br)F y tensión de ruptura negativa UBrR, que es como aparece en el manual de laboratorio, recordando que posiblemente usted no encuentre dichas definiciones en los libros y textos especializados, ni en los manuales de semiconductores (especialmente los americanos).

5.3 Analizar las tensiones positivas y negativas de ruptura.5.4

Para poder analizar las tensiones positivas y negativas de ruptura incluimos la curva caracteristica del DIAC en la figura 5-6.

La curva nos muestra que al aplicar una tensión en sentido directo menor que la tensión de ruptura positiva (U(Br)F) el DIAC prácticamente no permite flujo de corriente. Alcanzada la tensión de ruptura positiva, el DIAC conmuta a CONDUCCIÓN y la corriente aumenta rápidamente a la vez que la tensión a través de los terminales disminuye. El aumento rápido de corriente mostrado en la curva caracteristica explica la habilidad del DIAC para producir pulsos de corriente.



Figura 5-6.- Curva característica de DIAC

Al aplicar una tensión en sentido inverso menor que la tensión de ruptura negativa (U (br)R) el DIAC no permite flujo de corriente. Cuando la tensión en sentido inverso alcanza a la tensión de ruptura negativa el DIAC conmuta a CONDUCCIÓN en la dirección opuesta. Esto se gráfica como en la figura 5-6 como corriente negativa.

Como vemos el DIAC en la región positiva y negativa su operación es idéntica.

Los DIACS se fabrican de manera que son relativamente estables con temperatura y tienen una pequeña tolerancia en los voltajes de ruptura. En realidad hay una pequeñisima diferencia entre los valores de tensión de ruptura positivo y negativo. La diferencia es típicamente menor que 1 V. Esto permite que el circuito de disparo mantenga prácticamente iguales los ángulos de disparo en ambos semiciclos de la fuente de corriente alterna.

La tensión de disparo se suele escoger cercana a los 30 V. Esto es debido a que es difícil obtener tensiones sensiblemente más bajas con una resistencia negativa suficiente, mientras que el empleo de valores más elevados reduciría las posibilidades de control.

Permiten obtener, con condensadores de poco volumen (por ejemplo, 01 F y 35 V) corrientes de disparo de valor elevado. Se presentan a menudo en cápsulas del tipo DO-7 (vea el Capitulo 2 para mayor referencia)

Figura 5-7.- Encapsulado DO-7 del DIAC ECG6408


Voltaje

Corriente

Tensión de ruptura positivo U(br)F

Tensión de ruptura positivo U(br)R


5.5 Explicación de funcionamiento del circuito de la fig. 5.1 del manual de laboratorio con el Diac BR100

En el circuito de la figura tenemos una disposición sencilla de dispositivos a probar. La alimentación U es de tensión alterna de 24 V, lo que significa que tendremos la presencia de semiciclos tanto positivos y negativos, para un tiristor bidireccional como el DIAC, esto no representa mayor problema aunque llegaremos a observar cierta distorsión en la onda .

La tensión alterna que esta recorriendo al circuito afecta directamente al DIAC BR100 el cual comienza a conmutar en ambos semiciclos, lo que nos permite observar sus características de comportamiento en forma clara y sencilla.

Como ya hemos explicado la tensión de ruptura positiva y negativa es idéntica en ambas regiones, por ende al formarse la gráfica podremos apreciar los conceptos vertidos en el ítem anterior.

La figura 5.1 del manual de laboratorio es la siguiente:

Figura 5-1 del Manual de laboratorio

Antes de llegar la tensión de semiciclo positivo a los niveles de tensión de ruptura positivo, la corriente se mantiene mínima, pero una vez superada esta aumenta rápidamente. Este comportamiento es el mismo que podemos vislumbrar en la región negativa, pero en sentido inverso.

Esta habilidad de producir pulsos de corriente le dan a el DIAC una caracteristica muy especial, principalmente en circuitos de conmutación forzada con TRIACS.

RESUMEN CAPITULO 5:

El DIAC es un dispositivo semiconductor de 2 electrodos y 3 capas que funcionan básicamente como un diodo de avalancha bidireccional que se puede pasar del estado de bloqueo al de conducción en cualquier sentido de la polaridad de la tensión entre sus bornes.

Esta caracteristica tan especial convierte al DIAC en un aliado muy especial puesto que permite la conmutación de dispositivos semiconductores como el TRIAC trabajar o conmutar en ambos semiciclos de la tensión alterna, lo que significa que en circuitos de conmutación forzada es posible (por ejemplo añadiendo condensadores) conseguir ángulos de disparo adecuados para ambos semiciclos convirtiéndolo



en una herramienta útil para el control de fase de triacs en controles graduales de luminosidad, controles de velocidad de motores universales, controles de calefacción y otras aplicaciones similares.

PREGUNTAS DE REPASO:

1. Defina un DIAC.2. ¿Qué es tensión de ruptura POSITIVO?3. ¿Como es el comportamiento de DIAC en ambos semiciclos de la corriente alterna?4. ¿Como es posible controlar el ángulo de disparo en un circuito de conmutación forzada? Explique

brevemente.5. Indique algunas aplicaciones de los DIACS6. ¿Cuál es el valor de tensión de disparo que suele escogerse?7. Explique brevemente el funcionamiento de un DIAC.

APLICACIONES DEL TIRISTOR

7.1 Como interruptor con apagado por medio de tiristor auxiliar como controlador de corriente continua (Chopper)

Una de las aplicaciones más utilizadas del tirstor en general es su uso como interruptor en especial para controladores de corriente continua (denominados también Chopper).

Por lo general se utiliza dos tiristores los cuales dependiendo del ancho de pulso del mismo aplicado a alguno de ellos (o a los dos), es que se logra controlar el disparo del mismo. Recordemos que el caso de un SCR (que es el tiristor utilizado por excelencia en esta clase de circuitos) basta enviar una corriente de puerta capaz de enganchar la puerta (es decir lograr superar la corriente de enganche para luego mantener conduciendo con la corriente de mantenimiento o retención) para lograr que dispare y si esta no disminuye lo suficiente este (el SCR) seguirá conduciendo en forma indefinida, a menos que la tensión de alimentación desaparezca.

En estos circuitos el ancho de pulso utilizado en la tensión de disparo en la entrada de puerta del tiristor determinara el tiempo de conducción Ton del mismo, lo que a su vez nos entrega el tiempo de desconexión Toff (que obviamente se da por simple determinación de tiempos), vea figura 7-1.

Al tener una señal de disparo variable en el tiempo (podría ser una señal senosoidal, cuadratica, etc.) los valores de tensión de disparo del tiristor variaran, llevando al mismo al estado de conducción y de bloqueo en forma alternada, configurándolo como interruptor. Si la tensión de alimentación del circuito es continua (corriente continua), el tiristor se ve únicamente controlado por la señal de disparo (recordemos que en circuitos de corriente alterna este deja de conducir en los semiciclos negativos y que conduce solo en los ángulos de conducción determinado por el elemento de disparo) lo que nos permite un mayor control del circuito y por ende de carga a manejar.


EGATE

ERL

Ton

Toffa a

a a


Figura 7-1.- Tensión de puerta o de disparo que obliga al tiristor a conducir en tiempos establecidos por el ancho de banda del mismo

7.2 Explicación de funcionamiento del circuito de la fig. 7.1 del manual de laboratorio

La figura 7.1 del manual de laboratorio es el siguiente:

Figura 7-1 del Manual de Laboratorio

Como explicamos anteriormente, en este tipo de circuito el control del disparo del tiristor (para este circuito en especial es un SCR) esta regido por el ancho de pulso que el generador de anchos de pulsos esta entregando a la puerta de los mismos.

La tensión de 12 voltios que alimenta este circuito es de corriente continua por lo que la misma no regirá en el cebado del SCR, ya que su alimentación no llevara a una conmutación lineal o natural al SCR (por los semiciclos positivos y negativos del mismo), dejando el mando por completo a nuestro generador de ancho de pulsos.

La frecuencia del generador nos dará el tiempo de conducción (en los semiciclos positivos del mismo) y el tiempo de desconexión del mismo (en los semiciclos negativos).



Al tener dos SCR y conmutando los ciclos de alimentación de Q1 y Q2 (es decir desfazando los pulsos de la señal en 90 grados) podremos apreciar como las lamparas comenzaran a oscilar una a continuación de otra, pudiendo observar las diferencias de interrupción entre ambas.

Esto es debido a que mientras en un tiristor la señal esta en aumento originando el disparo del mismo, en el otro tiristor la señal esta en declive, llevando al mismo al estado de bloqueo. Como los ciclos son semejantes para ambos pero en desface, esto origina que uno encienda en forma alternada con respecto al otro sin que haya traslape en el encendido y apagado de las dos lamparas

Si en cambio en ambos tiristores se le inyecta una señal con igual fase, estas (las lamparas) encenderán y apagaran en igual tiempo.

7.3 Como controlador de c.c. (Chopper) con circuito anular. Explicación de funcionamiento del circuito de la fig. 8.1 del manual de laboratorio


En el caso anterior describíamos el comportamiento del tiristor como controlador de cc (Chopper), en este caso participamos de un circuito cuya tensión de alimentación es también en continua (corriente continua) lo que nos lleva al mismo análisis que el anterior, es decir la conmutación en este caso es forzada por el elemento de disparo, y la conmutación es regida por el mismo, dado que el tiristor empezara a conducir y no dejara de hacerlo hasta que nuestro circuito de disparo no lo lleve del estado de bloqueo al de conducción.

En el circuito de la figura 8.1 tenemos que considerar que el disparo de los SCR se lleva a cabo por medio de los pulsadores S1 y S2 los cuales alimentan a los transformadores de pulso que ingresan a los SCR denominados aquí V1 y V2.



Estos transformadores de pulso le dan una protección especial a nuestro circuito evitando sobre tensiones o corrientes demasiado elevadas y eliminan posibles ruidos generados por lo dispositivos a su alrededor.

Al accionar en forma alternada los interruptores (es decir colocando uno en ON y el otro en OFF) podremos manipular los estados de conmutación de los tiristores y la polaridad del condensador. Esto se logra gracias a la participación del circuito anular formado por la bobina denominada L y el diodo denominado V3 que servirán para la carga y descarga del condensador (cambio de polaridad) Al colocar S1 en ON el condensador se carga, luego al colocar S2 en ON y disparar el tiristor principal, a la corriente de carga le precede un impulso de descarga del condensador. Este carga el condensador, por medio de una semioscilación atenuada, a través de los SCRs V1, V2 y la bobina L con polaridad invertida. Si se dispara de nuevo el SCR de apagado, se tendrá la tensión del condensador con polaridad contraria a la tensión de alimentación entre ánodo y cátodo del SCR V1, llegando a bloquearlo.

Figura 7-2.- Cambio de polaridad, expresado aquí en la tensión Uc

Este cambio de polaridad alcanzada sin mayor perdida de potencia en el circuito llevado a motores de cc. de gran potencia son de muchisima utilidad (claro esta el circuito es sencillamente diferente)

7.4 El tiristor en el circuito de corriente alterna. Explicación de funcionamiento del circuito de la fig. 10.1 del manual de laboratorio


UC

B

A

UC

B

A

+

+


Hemos visto el comportamiento del SCR en circuitos de cc. pero como explicábamos, en circuitos de corriente alterna el SCR tiende a bloquearse al entrar en los semiciclos negativos de la tensión senosoidal de alimentación. Los circuitos de control de puerta en este caso nos permiten manipular el ángulo de disparo determinando el ángulo de conducción del mismo (recordemos que esta relación es directa, es decir si el ángulo de disparo es menor, el ángulo de conducción es mayor y viceversa).


Ahora los métodos de control de puerta más sencillos están conformados por las disposición de resistencias y potenciometros (los cuales al variar permiten controlar la tensión de disparo del SCR y lograr mediante este método disparar el SCR en forma segura), los cuales juegan un papel de diferencias de potencial que no permiten el control exacto del ángulo de disparo del SCR, limitando enormemente las posibilidades de un control preciso del dispositivo.El método más simple para mejorar el circuito de control de puerta es adicionando un condensador en el extremo inferior de la resistencia del terminal de puerta tal como se hace en la figura 10-1 del manual de laboratorio.

Una de las ventajas de este tipo de circuitos es que el ángulo de disparo puede ajustarse a más de 90°. Esto lo entenderemos centrandos en el voltaje a través del condensador C de nuestra figura 10-1. Cuando la fuentes c.a. se halla en el semiciclo negativo, el voltaje inverso a través del SCR es aplicado al circuito de disparo RC, cargando el condensador con su placa superior negativa y su placa inferior positiva. Cuando la fuente entra en su semiciclo positivo, la tensión directa a través del SCR tiende a cargar C en la polaridad opuesta. Sin embargo, la formación de voltaje en la dirección opuesta es retardada hasta cuando la carga negativa sea removida de las placas del condensador. Este retardo en la aplicación de un voltaje positivo a la puerta puede extenderse más allá de 90°. Cuando mayor sea la magnitud de la



resistencia del potenciometro denominado R2 en la figura, más tiempo toma C en cargar positivamente su placa superior, y más tarde se cebar el SCR. La acción del diodo V1 se centra en evitar las perdidas de bloqueo en la conexión puerta – cátodo.

Figura 7-3.- Diversos ángulos de disparo diferentes valores de R2

Según la formula:


EL

EL

0 3

2

10

EL

VGT

IGT

2 t

0

T3T2T1

t

t

t

0


donde t es el valor del ángulo en función de la frecuencia angular de la onda de corriente alterna, al variar R (es decir R2 o el potenciometro según las consideraciones anteriormente descritas), variará en razón directa obteniéndose los valores descritos en la figura 7-3. Para mayores referencias remítase al capitulo 3 de este texto.

7.5 Control del ángulo de fase mediante diac y triac. Explicación de funcionamiento del circuito de la fig. 11.1 del manual de laboratorio

En el ítem anterior analizamos el comportamiento del condensador para poder entender como se logra manipular el ángulo de disparo de un circuito en c.a., este accionar es valido también para el circuito de la figura 11-1 del manual de laboratorio.

En el circuito el condensador se carga en el semiciclo positivo a través de R1 y R2 (potenciometro) durante este semiciclo A2 es positivo respecto a A1 y se C se carga con el positivo en su placa superior. Cuando el voltaje en C es lo suficientemente alto para alcanzar la tensión de ruptura del DIAC este entrega corriente de puerta al TRIAC y este conduce. Durante el semiciclo negativo una operación similar sucede, donde A2 es negativo respecto a A1 y se C se carga con el negativo en su placa superior, debiendo alcanzar la tensión de ruptura del DIAC para poder entregar corriente de puerta al TRIAC.


Si se reduce la resistencia del potenciometro el capacitor se carga más rápidamente y la tensión de disparo de puerta se produce antes, como resultado de los cual aumenta la potencia aplicada a la carga. Esto origina la disminución del ángulo de disparo, aumentando el ángulo de conducción.

Si se aumenta la resistencia de potenciometro el capacitor se carga más lentamente y la tensión de disparo de puerta se produce un instante después lo cual hace disminuir nuestro ángulo de conducción al aumentar el ángulo de disparo.



Figura 7-4.- Angulos de conducción obtenidos por el disparo de DIAC para TRIACEn circuito RC simple

En la figura 7-4 podemos apreciar una gráfica que muestra el ángulo de conducción obtenido gracias al ángulo de disparo que a su vez fue logrado a la combinación de valores del potenciometro R2 y el condensador C del circuito de la figura 11.1 del Manual de Laboratorio.

Para ambos semiciclos, mientras menor sea nuestro ángulo de disparo, mayor será nuestro ángulo de conducción , la precisión de los mismos depende en gran medida de la relación que guarden los elementos o componentes del circuito de disparo (es decir entre resistencias, condensadores, etc.)

Las aplicaciones más comunes para este tipo de circuito son como reguladores de intensidad luminosa, control de velocidad de giro de taladros manuales (máquinas universales), control de potencia de consumidores de corriente alterna, entre otros

Compare el circuito con el tratado en el Capitulo 3 del presente texto.

RESUMEN :

Una de las aplicaciones más utilizadas del tiristor en general es su uso como interruptor, en especial para controladores de corriente continua (denominados también Chopper) . En estos circuitos el ancho de pulso utilizado en la tensión de disparo en la entrada de puerta del tiristor determinara el tiempo de conducción Ton del mismo, lo que a su vez nos entrega el tiempo de desconexión Toff (que obviamente se da por simple determinación de tiempos).

Como controlador de c.c. (Chopper) con circuito anular la variación de conmutación entre tiristores (SCR) esta ligado con la forma de disparo del mismo lo cual afecta directamente la polaridad del condensador (figura 8-1 del manual de laboratorio incluido en este texto) y la magnitud de tensión del mismo. Utilizado en control de variación de velocidad de giro de motores de corriente continua entre otros.


t20

Vca

t

+ 2

0

EL


El tiristor en circuito de corriente alterna es uno de los más usados en el mercado, la utilización de elementos de disparo como el condensador permiten el control del ángulo de disparo del mismo (SCR) por lo que se le llama también al SCR como dispositivo de control de fase.

El control de fase mediante DIACS y TRIACS es manejable nuevamente gracias al uso del condensador (ver figura 11-1 del manual de laboratorio incluido en este texto) el cual mediante su carga y descarga (tiempo de carga y descarga) regido por el potenciometro, permite variar el ángulo de disparo, que esta vez juega para ambos semiciclos de la onda senoidal de la corriente alterna.

Entre las diversas aplicaciones de los tiristores estan la de control de velocidad de motores universales, control de luminosidad, controlador de corriente alterna de baja potencia como por ejemplo en electrodomesticos, control de giro, etc.

PREGUNTAS DE REPASO:

1. ¿Qué es un circuito Chopper?2. ¿Cómo se realiza el apagado del SCR en un circuito controlador de corriente continua?3. Describa brevemente el funcionamiento del circuito de la figura 7.1 del manual de laboratorio4. ¿Es semejante el funcionamiento del SCR en un controlador de c.c. con circuito anular? Explique5. Describa brevemente el funcionamiento del ciruito de la figura 8.1 del manual de laboratorio6. ¿Cual es el comportamiento del SCR en corriente alterna?7. ¿Como se activa el SCR en un circuito de corriente alterna?8. ¿Como se controla el ángulo de disparo en un circuito de corriente alterna?9. Describa brevemente el circuito de la figura 10.1 del manual de laboratorio.10. Indique aplicaciones del mismo11. ¿Como se activa un TRIAC?12. ¿Cuál el es comportamiento de un DIAC en corriente alterna?13. ¿Como se regula el ángulo de disparo en un circuito de corriente alterna donde intervienen el DIAC y

TRIAC como elementos de disparo y control respectivamente?14. Describa brevemente el circuito de la figura 11.1 del manual de laboratorio.15. Indique aplicaciones del mismo


electrónica de potencia- fundamentos

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