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TIRISTORES
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Tiristores de Potencia
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivossemiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensaen los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son
interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticosexhiben ciertas características y limitaciones.Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructurapnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. El objetivo de los tiristores es controlar la cantidad de energía que le llega a una
carga en un tiempo determinado.
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Clasificación de los tiristores
• Rectificadores controlados por silicio (SCR)
•
Triodo de corriente alterna (TRIAC)
• Transistor de apagado por compuerta (GTO)
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Funcionamiento básico de los tiristores
• Cuando la tensión entre el
ánodo y el cátodo es cero, la
intensidad del ánodo
también lo es.
• Hasta que no se alcance la
tensión de bloqueo (odisparo) (VBO) en la puerta,
el tiristor no se dispara.
Cuando se alcanza dicha
tensión, se percibe un
aumento de la intensidad enel ánodo (IA), disminuye la
tensión entre el ánodo y
cátodo, comportándose así
como un diodo polarizado
directamente.
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Funcionamiento básico de los tiristores
•
Si se reduce la corriente queva desde ánodo al cátodo
hasta un mínimo llamado
corriente de mantenimiento,
el tiristor entra en bloqueo, y
no conduce.
• Si se polariza inversamente,
se observa una débil
corriente inversa (de fuga)
hasta que alcanza el punto de
tensión inversa máxima queprovoca la destrucción del
mismo. Se puede decir que
un tiristor es como un diodo
controlado por una puerta
(G).
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Formas de activar un tiristor
• Luz: si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar almismo silicio, el número de pares electrón hueco aumentará pudiéndoseactivar el tiristor.
• Corriente de Compuerta: para un tiristor polarizado en directa, lainyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo
entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente decompuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en laactivación del dispositivo.
• Térmica: una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento
del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán lascorrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar aser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podríacomprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se
establece este método como método de activación, esta fuga tiende aevitarse.
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Formas de activar un tiristor
Alto Voltaje: si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayorque el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga losuficientemente grande para que se inicie la activación conretroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el
dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo.
dv/dt: si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es losuficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede sersuficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el
dispositivo.
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SCR
E L M I E M B R O M Á S I M P O R T A N T E D E L A F A M I L I A D E L O ST I R I S T O R E S F U E D E S A R R O L L A D O P O R G E N E R A L
E L E C T R I C E N 1 9 5 8 . E L N O M B R E L O A D O P T OP O S T E R I O R M E N T E L A C O M I S I Ó N E L E C T R O T É C N I C A I N T E R N A C I O N A L ( C E I ) .
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Son los dispositivos de uso más común en los
circuitos de control de potencia. Actualmente seencuentran en clasificaciones que van desde unospocos amperios hasta un máximo de 3000 A.
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Un SCR posee tres conexiones:
Ánodo Cátodo
Puerta.
La puerta es la encargada de controlar el paso decorriente entre el ánodo y el cátodo.
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Estructura interna del SCR E L R E C T I F I C A D O R C O N T R O L A D O D E S I L I C I O ( E N I N G L É S S C R : S I L I C O N C O N T R O L L E D R E C T I F I E R ) E S U NT I P O D E T I R I S T O R F O R M A D O P O R C U A T R O C A P A S D EM A T E R I A L S E M I C O N D U C T O R C O N E S T R U C T U R A P N P N OB I E N N P N P .
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Sección transversal vertical de un SCR
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Área de disparo seguro
• Curva A y B: límite superior e inferior de latensión puerta-cátodo en función de la corrientepositiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.
• Curva C: tensión directa de pico admisible V GF. • Curva D: hipérbola de la potencia media máxima
PGAV que no debemos sobrepasar.
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Área de disparo
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Ángulo de disparo
Con el circuito anterior se puede variar elmomento en que se aplican los valores decorriente y voltaje de compuerta necesarios parala conducción del SCR (IGT, V GT). Esto se da
mediante la variación de R2. El tiempo transcurrido desde el cruce por cero
de la señal de voltaje de corriente alterna y elmomento en que se da la corriente necesaria parala conducción, se conoce como ángulo dedisparo ( α ).
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En este caso R2 en a > b
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Circuitos de control de compuerta paraSCR para obtener ángulos mayores de
90º
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El func ionamien to de l sc r se puede en tender como un
c i rcu i to implementado por dos t rans i s tores b ipo lares de
unión (bj t s ) (ve r f ig . ) , en los que hay que t ene r en
cuen ta l a s s igu ien tes 2 ca rac te r í s t i cas :
Funcionamiento del SCR (Modelo a 2 Transistores)
¿Cómo funciona?
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1. Cuando a un BJT pnp de Si se le aplica un voltaje V BE suficientemente
negativo o cuando a un BJT npn de Si se le aplica un
voltaje V BE suficientemente positivo el transistor "se dispara", i.e. conmuta
de off a on en saturación, desde el emisor E hacia el colector C en el pnp,
o desde C hacia E en el npn.
2. Un BJT amplifica la corriente de base I B en un factor dado
aproximadamente por el parámetro denominado " β (beta) del transistor" (o"ganancia de corriente"). Es decir que la corriente de colector es I C ≈ β I B,
donde β depende de la misma corriente I C.
Funcionamiento del SCR (Modelo a 2 Transistores)
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Si se considera al SCR como untransistor Tr1 npn de
ganancia β 1 conectado con un
transistor Tr2 pnp de
ganancia β 2 como se esquematiza a la
derecha de la Figura, se observa que:
Entonces, después del disparo,cuando I G = 0 A,es I B1 = I C2 ≈ β2 I B2. Perocomo I B2 ≡ I C1 ≈ β1 I B1, se ve que lascorrientes del dispositivo se
ajustan para que β1 β2 ≈ 1, y por lotanto la corriente de ánodo I A deltiristor visto como 2 transistores,resulta aproximadamente iguala I A ≡ I E2 = I C2+ I B2 ≈ ( β1+1) I B1.
Funcionamiento del SCR (Modelo a 2 Transistores)
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Los SCR no son interruptores
perfectos, necesitan un tiempo para
pasar de corte a conducción y
viceversa.
Tiempo de encendido (Ton
):
Es el tiempo que tarda el tiristor en
pasar de corte a conducción. Se
divide en dos partes.
• Tiempo de retardo
(td) • Tiempo de subida(tr)
Características de Conmutación
Ton = td + tr
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Tiempo de apagado (Toff ):
Es el tiempo que tarda el
tiristor en pasar de
conducción a corte. Se divide
en dos partes.
Tiempo de recuperación
inversa (trr)
Tiempo de recuperación
de puerta (tgr)
Características de Conmutación
Toff = trr + tgr
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Diac
Es un dispositivo semiconductor de dos conexiones
Es un diodo bidireccional disparable que conduce la
corriente sólo tras haberse superado su tensión de
disparo Es un dispositivo semiconductor de dos
terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa comoun interruptor bidireccional el cual se activa
cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre20 y 36 volts según la referencia.
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¿Qué es el TRIAC?26
Es un componente electrónico, internamentesemejante a dos SCR conectados inversamen-te enparalelo.
Debe su nombre a “TRIode for A lternatingCurrent”
Es usado para trabajo en corriente alterna.
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¿Qué es el TRIAC?27
Es un componente electrónico, internamentesemejante a dos SCR conectados inversamen-te enparalelo.
Debe su nombre a “TRIode for A lternatingCurrent”
Es usado para trabajo en corriente alterna.
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¿Qué es el TRIAC?28
Su simbología, estructura y encapsulados son:
Donde A1 y A2, son los ánodos, y G es la puerta(análoga a la del tiristor)
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¿Qué es el TRIAC?29
Se puede modelar con dos transistores BJT, como
muestra la figura.
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¿Qué es el TRIAC?30
Funciona como un tiristor de cuatro capas,pero la estructura real contiene seis.
La conducción puede ser de dos formas. En sentido A2-A1 o viceversa. La capa N3 facilita el disparo conintensidad de puerta negativa.
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Métodos de disparo.31
Por corriente continua.
El disparo proviene de una fuente de tensión continua
aplicada al triac a través de una resistencia limitadora
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Métodos de disparo.32
Por corriente alterna.
Se puede realizar mediante el empleo de untransformador que suministre la tensión, o bien
directamente a partir de la propia tensión de la red conuna resistencia limitadora de la corriente de puertaadecuada y algún elemento interruptor que entregue laexcitación a la puerta.
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Comparativa y Aplicaciones.33
SCR: 0,8 a 40 A. 1200 V.
TRIAC: 4 a 16 A. 600-800 V
Mosfet: 2 a 40 A. 900 V.
Aplicaciones : Control de motores. aplicacionesdomésticas. Cargadores de baterías. Control de
iluminación. Control numérico. Ordenadores
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Ventajas sobre otros dispositivos.34
En comparación con el SCR, ofrece un mayor rango
de operación, pues opera en ambas en ambas zonas de
la señal AC, no así el SCR que solo opera en la parte
positiva, lo que significa que el dispositivo conduceen una sola dirección.
Como interruptor estático ofrece muchas ventajas
sobre los interruptores mecánicos convencionales, por
que estos últimos necesitan del movimiento de uncontacto. En cambio el TRIAC, siempre se dispara
cada medio ciclo, cuando la corriente pasa por cero.
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Desventajas sobre otros dispositivos35
Comparado con un relé, el TRIAC soporta po-ca
potencia, ya que a través de el puede pasar como
máximo una corriente de 16 A.
Es factible su uso para el control de cargas re-sistivas,no así en cargas inductivas, como los motores de
inducción, puesto que el cambio en el voltaje promedio
afecta el torque.
Aplicaciones
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Aplicaciones
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o
voltajes muy grandes
Los tiristores pueden ser usados también como elementos de
control en controladores accionados por ángulos de fase.
En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como
fuente de energía o potencial
La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para
controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de
tensión.
Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna.
Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos
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Fabricación
Técnica de Difusión-Aleación: La parte principal deltiristor está compuesta por un disco de silicio de materialtipo N, 2 uniones se obtienen en una operación de difusióncon galio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del
disco. En la cara exterior se forma una unión, con uncontacto oro-antimonio.
Técnica “Todo Difusión”: Las 2 capas P se obtienen por
difusión del galio o el aluminio, mientras que las capas N seobtienen mediante el sistema de máscaras de óxido.
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Técnica de Barrera Aislante: Se parte de un sustrato de silicio
tipo N que se oxida por las dos caras, después en cada una de las
2 caras se hace la difusión con material tipo P. Una difusión muy
duradera y a altas temperaturas produce la unión de las 2 zonas P.
Después de este proceso se elimina todo el óxido de una de lascaras y se abre una ventana en la otra, se realiza entonces en
orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P.
Fabricación
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