Fernández Norvelis. C.I: 18.462.758Fernández David. C.I: 14.424.461

PROFESOR:

Edgar Goncalvez

Maturín, Marzo 2014

INDICE

Introducción

Instrumentación y control de procesos

Aplicación en el área productiva

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica

Electrónica

Sistema electrónico

Aplicaciones de la electrónica

Electrónica de Control

Los principales tipos de sistemas de control

Electrónica de potencia 

Dispositivos

Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)

Triac

Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aislada

Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuerta

Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuerta

Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor

Discusión

Conclusión

Bibliografía

INTRODUCCIÓN

Desde los comienzo de la historia el hombre se ha visto impulsado en la necesidad de crear objeto bien sea para su distracción como herramientas para sus huso y actividades productivas, ejemplo de esto mencionado han sido los autómatas en los anales de la historia donde la mayoría de estas creaciones actuaban de manera continua bajo un proceso simple, el transcurrir del tiempo ayudo a que estas ideas fueran mejorando y añadiendo mejores y complejas actividades, la edad media significo un gran estanque cultural debido al control por parte de la iglesia católica a mayoría de los inventores y grandes genios de la humanidad, vale resaltar el caso de Nicolás Copérnico y Galileo Galilei, por citar algunos.

Pero gracias a la evolución del pensamiento y a algunos cambios culturales de la Europa del siglo XVII permitió la entrada de la industrialización y revolución Industrial la cual desde su nacimiento hasta la actualidad ha tenido un crecimiento exponencial que no ha parado, parte desarrollo se ha debido a que se logró tener control e integración de máquina y procesos-productivo un ejemplo tangible es la creación y desarrollo de controladores en la instrumentación industrial como los son los controladores de corriente utilizados en procesos altamente complejos e importantes de la industria.

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MARCO TEORICO

La instrumentación y control de procesos

Es una especialidad de la ingeniería que combina, a su vez, distintas ramas, entre las que destacan: sistemas de control, automatización, electrónica e informática. Su principal aplicación y propósito es el análisis, diseño y automatización de procesos de manufactura de la mayor parte de las áreas industriales: petróleo y gas, eléctrica, alimentaria, automovilística.

Aplicación en el área productiva

Derivado de que todo proceso de fabricación y manufactura requiere de un control, la ingeniería de instrumentación y control de procesos tiene una aplicación en el sector productivo en las siguientes áreas: diseño y mantenimiento.

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica

 Es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

1. Electrones

2. Sensor o sonda Hall

3. Imanes

4. Campo magnético

5. Fuente de energía

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DescripciónEn la imagen A, una carga negativa aparece en el borde superior del sensor Hall (simbolizada con el color azul), y una positiva en el borde inferior (color rojo). En B y C, el campo eléctrico o el magnético están invertidos, causando que la polaridad se invierta. Invertir tanto la corriente como el campo magnético (imagen D) causa que la sonda asuma de nuevo una carga negativa en la esquina superior.

Electrónica

Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.

Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forman parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales

Sistema electrónico

Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes:

1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.

2. Circuitos de procesamiento de señales – Consisten en artefactos electrónicos conectados juntos para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores.

3. Salidas u Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando esté oscureciendo.

Básicamente son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito procesador) y la tercera (circuito actuador).

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Aplicaciones de la electrónica

La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación:

Electrónica de control

Telecomunicaciones

Electrónica de potencia

Electrónica de Control

Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación.

Un sistema de control básico es mostrado en la siguiente figura:

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Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura (número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno; atendiendo a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales. La clasificación principal de un sistema de control es de dos grandes grupos, los cuáles son:

Sistema de lazo abierto Sistema de lazo cerrado

Los principales tipos de sistemas de control son:

Sí/No. En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciende cuando la luz ambiental es más baja que un nivel predeterminado de luminosidad.

Proporcional (P). En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación utilizan un sistema P para determinar con qué intensidad encender lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.

Proporcional derivativo (PD). En este sistema, la velocidad de cambio de la señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de la señal.

Electrónica de potencia 

Se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles.

En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia.

De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de

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potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.

El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado).

Dispositivos

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)

Triac

Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aislada

Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuerta

Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuerta

Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor

El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier)

Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de materialsemiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.

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Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.

Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

 TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna

 Es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCRen direcciones opuestas.

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

Aplicaciones comunes

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.

Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.

Funciona como interruptor electrónico y también a pila.

Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se

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deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor)

Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energías como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos

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dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

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

Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor)

Es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.

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A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

El tiristor controlado por Mosfet

 Es una mejora sobre un tiristor con un par de MOSFET para encender y apagar actual. El MCT por sus siglas en inglés supera varias de las limitaciones de la los dispositivos existentes de poder y promete ser un cambio mejor para el futuro. Si bien hay varios dispositivos en la familia MCT con distintas combinaciones de canales y estructuras de la puerta.

Aplicaciones

El MCT se han utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en la zona de ac-dc y la conversión de corriente alterna-alterna, donde la entrada es de 60 Hz de corriente alterna. Funcionamiento variable del factor de potencia se logró mediante el MCT como una fuerza conmutado de interruptor de alimentación. El circuito de potencia de un controlador de voltaje de corriente alterna capaz de operar a una de las principales, por detrás, y el factor de potencia se muestra en la Ilustración 3. Debido a la frecuencia de conmutación es baja, las pérdidas de conmutación son insignificantes. Debido a la caída directa es baja, las pérdidas de conducción son también pequeñas. La MCT también se utiliza en los interruptores. Comparación de los MCT con otros dispositivos de potencia

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DISCUSION

Como futuros ingenieros de sistemas egresados de la Universidad de Oriente Núcleo Monagas en el área de instrumentación y control de procesos deberemos estar capacitados tanto en los conocimientos como en la comprensión por lo menos de los procesos, técnicas y herramientas básicas de la Instrumentación, también es de vital importancia tener muy pero muy claro cuáles son las otras ramas de la ingeniería de las cuales asemos de su usos como lo es la electrónica Es una especialidad de ese gran árbol de la ingeniería que combina o entrelaza a su vez distintas otras ramas, entre las que destacan: sistemas de control, automatización e informática.

En este trabajo de investigación referente a los controladores de corrientes debimos de conceptualizar cada uno de esos elementos de esa variable de estudio bajo un criterio muy personal para llegar una mejor comprensión

 Iniciando por La  intensidad eléctrica la cual Es la cantidad flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material y esta es originada debido al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. También pudimos observar sus unidades están definidas bajos estándares En el Sistema Internacional de Unidades (quien también juega un papel muy pero muy importante en la instrumentación a nivel internacional) y esta se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.

Siguiendo con la discusión del presente tema y recordando que la ingeniería es un árbol de conocimiento donde existen muchas ramas que la integran y producen grandes frutos hicimos definición la definición de la Electrónica y sus aplicaciones Es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. La cual Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales

Para poder existir los controladores de corriente en la automatización industrial tuvo que haber existido la Electrónica de Control (para poder otorgar este fruto) Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para

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que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación.

De los dispositivos estudiados podemos mencionar que estas son sus más comunes aplicaciones:

Los SCR

Se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

Los  TRIAC 

Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

El transistor bipolar de puerta aislada  IGBT

Es usado en aplicaciones de altas y media energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Tiristor GTO 

A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia

El tiristor controlado por Mosfet

El MCT se ha utilizado en varias aplicaciones, algunas de las cuales se encuentran en la zona de AC-DC y la conversión de corriente alterna donde la entrada es de 60 Hz de corriente alterna.

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CONCLUSIONES

La combinación de varias ramas del conocimiento y desarrollo humano como lo son la física la electrónica la ingeniería y la instrumentación han permitido generar una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos ha formado parte de la rutina diaria y continua de la electrónica y de los campos de la ingeniería, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar como uno de los grandes retos vencidos por esta generación

De esta manera, como pudimos observar en la presente investigación la sobre los controladores de corriente que la electrónica de potencia ha permitido adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.

Lo cual nos lleva a concluir que el principal objetivo y ventaja de esta disciplina y los dispositivos controladores de corriente es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores (SCR, Triac, IGBT, GTO, IGCT, MCT) mencionados y descritos anterior mente

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BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentaci%C3%B3n_y_control_de_procesos

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_potencia

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thyristor_circuit_symbol_es.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:TRIAC_(smial).jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:IGBT_symbol.gif

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_IGBT

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor_GTO

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Modelado_de_MCT.png

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