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TIRISTORES –
Introducción.
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de dispositivos
semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en 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 prácticos exhiben ciertas
características y limitaciones.
Funcionamiento básico
El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de
los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o
bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno,
aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este
principio básico puede observarse también en el diodo Shockley.
El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir
un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominado
puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y
cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede
ser apagado con la interrupción de la fuente de alimentación, abriendo el
circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el
dispositivo.
Si se polariza inversamente, en el tiristor existirá una débil corriente inversa de
fuga hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose
la destrucción del elemento (por avalancha en la unión).
Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe
generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe
haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura
por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que
el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una
corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el
dispositivo dejaría de conducir.
A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo.
Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la
transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre
ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente
para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de
puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo
necesaria para que el tiristor conduzca.
También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe
intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de
bloqueo.
Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al
mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose
activar el tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de
una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta
y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el
voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del
número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga,
con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción
regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse.
Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente
cuando en un diseño se establece este método como método de activación,
esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que
el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente
grande para que se inicie la activación con retroalimentación. 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 lo
suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente
para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo
Aplicaciones
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy
grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente
alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o
desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma
síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir
corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la
necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el
dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe
confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va
solamente del ánodo al cátodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en
controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por
ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.
En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente
de energía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores
automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito
eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un
determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para
evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente puedan ser
dañados. El tiristor también se puede usar en conjunto con un diodo
Zener enganchado a su puerta, de forma que cuando el voltaje de energía de la
fuente supera el voltaje zener, el tiristor conduce, acortando el voltaje de
entrada proveniente de la fuente a tierra, fundiendo un fusible.
La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la
tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por
ejemplo. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo
de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.
Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para
transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto
los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones
de baja potencia en circuitos electrónicos.
Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación,
calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de
ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como
velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores
(aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...)
Principales variantes de tiristores
Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del
ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la
unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la
compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación
y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de
compuerta.
Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y
desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías:
1. Tiristores de control de fase o rectificador de silicio controlado(SCR).
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR).
3. . Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
4. . Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
5. . Tiristores de conducción inversa (RTC).
6. . Tiristores de inducción estática (SITH).
7. . Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)
8. . Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
9. . Tiristores controlados por MOS (MCT)
10.- Transistor de unión programable (PUT)
11.- Transistor Unijuntura (UJT)
El SCR
Un SCR es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con
tres uniones pn y que tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig.
1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los
tiristores se fabrican por difusión.
Un tiristor o SCR es un rectificador controlado, donde la corriente circula de
forma unidireccional desde el ánodo al cátodo .Esta circulación de corriente es
iniciada por una pequeña corriente aplicada a la puerta .
La caída de tensión, en conducción, se deberá a la resistencia de las cuatro
capas y será pequeña, por lo común 1V. En conducción , la corriente ánodo –
cátodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, como
se muestra en la fig. 2.
La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente
de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores
a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo,
el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche,
IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en
estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se
ha retirado la señal de la compuerta. En la fig. 2b aparece una gráfica
característica V-I de un SCR.
Fig.2 Circuito SCR y característica v-i
Una vez que el SCR es activado, se comporta como un diodo en conducción
(Fig-2) y ya no hay control sobre la corriente del dispositivo. El tiristor seguirá
conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento lo
que da vida a movimientos de portadores libres. Sin embargo, si se reduce la
corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de
mantenimiento IH , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión
J2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en
estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los
miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL. Esto significa que
IL >IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para
mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de
mantenimiento es menor que la corriente de enganche.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión
J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización
inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso
a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente
de fuga inversa, conocida como IR, fluirá a través del dispositivo
MODELO DE SCR DE DOS TRANSISTORES
La acción regenerativa o de enganche genera retroalimentación directa que
se puede demostrar mediante un modelo de SCR de dos transistores. Un SCR
se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor
PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.
La corriente del colector IC de un SCR se relaciona, en general, con la corriente
del emisor IE y la corriente de fuga de la unión colector-base ICBO, como
Ic =
IE + ICBO
(1)
La ganancia de corriente de base común se define como =IC/IE. Para el
transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del ánodo IA , y la corriente
del colector IC1 se puede determinar a partir de la ecuación (1):
IC1 =
IA + ICBO1
(2)
a) Estructura básica
b) Circuito equivalente
Fig. 3 Modelo de SCR con dos transistores .
Donde alfa1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para
Q1. En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector I C2 es:
IC2 =
2IK + ICBO2
(3)
Donde
2 es la ganancia de corriente y ICBO2 es la corriente de fuga
correspondiente a Q2. Al combinar IC1 e IC2 , obtenemos:
IA = IC1 + IC2 =
1IA + ICBO1 +
2IK + ICBO2
(4)
Pero para una corriente de compuerta igual a IG, IK=IA +IG resolviendo la
ecuación anterior en función de IA obtenemos:
IA =
2 IG + ICBO1 + ICBO2
1-( 1 +
(5)
2)
Disparo del SCR
Un SCR es encendido haciendo su puerta positiva con el respecto a su cátodo,
lo cual, hace que circule corriente en la compuerta.
Cuando el tensión de compuerta alcanza el valor de umbral V GT, hace que la
corriente de compuerta IGT, llegue al valor umbral dentro de un tiempo muy
corto conocido como “tiempo de encendido controlado por compuerta”, tgt, Así,
la corriente de carga puede fluir desde ’ánodo’ a ’cátodo..
Cuando la corriente aumente, hasta el valor de corriente de enganche
(latching) del SCR, la corriente de carga se mantendrá , aún , después de
quitar la corriente de compuerta. Así ,el SCR continuará conduciendo y la
corriente de carga continúa circulando, , sin la corriente de compuerta. Esto es
lo que denominamos tiristor disparado.
.
REGLA. Para disparar un SCR(tiristor) (o triac), una corriente de compuerta /
IGT debe aplicarse hasta que la corriente de carga sea IL. Esta condición debe
encontrarse también al bajar la temperatura de funcionamiento esperada.
incrementada por encima de Tjmax, en este punto las corrientes de fuga son
tales que pueden alcanzar la corriente de disparo del SCR o triac. Por lo cual
puede ser conveniente su reemplazo o bien tener en cuenta este efecto al
momento de su utilización.
Apagado (conmutación).
Para apagar al tiristor, la corriente de carga debe reducirse por debajo de la I H
(corriente de mantenimiento), por el tiempo suficiente para permitir a todos los
portadores evacuar la juntura. Esto es logrado por "conmutación forzada" en
circuitos CC o al final del hemiciclo de conducción en circuitos de CA. (La
conmutación forzada es cuando la corriente de carga neta del circuito ocasiona
que la misma se haga cero de forma tal, que el tiristor se apague). A este
punto, el tiristor habrá vuelto totalmente a su estado de bloqueo .
Si la corriente de carga no es mantenida por debajo de IH por el tiempo
suficiente, el tiristor no habrá vuelto totalmente al estado de bloqueo, y cuando
la tensión ánodo – cátodo suba nuevamente, el tiristor podrá volver al estado
de conducción sin excitación de puerta.
Note que esta IH se especifica también a la temperatura de ambiente , y se
reduce a altas temperaturas. Por lo tanto, el circuito debe permitir tiempo
suficiente para qué la corriente de carga caiga por debajo de IH a la máxima
temperatura esperada, para una conmutación exitosa.
Triac
Un triac poder mirarse como un "tiristor bidireccional" debido a que conduce en
ambas direcciones. Por el triac , la corriente circula en cualquiera de las dos
direcciones entre los terminales principales MT2 y MT1. Esto es iniciado por una
corriente pequeña aplicada entre el terminal de puerta , Gate, y MT2.
FIG-3 A: Representación de un Triac
FIG-3B: Curva característica de un Triac (verFig-5)
Encendido
Distinto de los SCR, el triac estándar puede ser disparado por circulación de
corriente positiva o negativa entre compuerta y MT2 . (Las reglas para V GT, IGT e
IL son al igual SCR. Vea Regla 1). Esto permite el disparo del triac en cuatro
“cuadrantes" como se muestra en el Figura 4.
La compuerta debe ser excitada por Corriente Continua o por pulsos unipolares
en el cruce por cero de la corriente de carga. Corriente negativa de compuerta
es la preferida por las siguientes razones.
La construcción interna de los triac hace que la compuerta esté más alejada de
la región de portadores mayoritarios cuando opera en el 3º cuadrante. Esto
resulta en:
1. IGT más alta, esto implica un pico más alto de IG requerido.
2. Retraso mayor entre IG y el principio de la circulación de corriente principal,
esto requiere una mayor duración de IG.
3. Mucha menor capacidad de di/dt esto puede implicar una degradación
progresiva de puerta cuando controlamos cargas con di/dt iniciales (P.E:
filamentos de lámpara incandescente fría).
4. Mayor IL (también cierto para la 1º operación) - > IG más largo, la duración
mayor podría necesitarse para cargas muy pequeñas cuando conduzcan desde
el comienzo de un hemiciclo para permitir la corriente de carga alcanzar el IL .
En controles comunes de ángulo de fase, como por ejemplo atenuadores de
luces y controles de motores universales (taladros de mano), la polaridad de la
tensión entre compuerta y MT2 son siempre las mismas. Esto significa que la
operación es siempre en el 1º o 3º cuadrante, en los cuales los parámetros de
conmutación del triac son iguales. Por ello se habla de un funcionamiento
simétrico de funcionamiento de conmutación del triac ,donde la puerta está en
su estado. más sensible
Métodos alternativos de disparo.
Hay algunas maneras indeseables con las que un triac pueden encenderse.
Algún son benignas, mientras otras son potencialmente destructivas.
(a) Señal de ruido en la compuerta.
En ambientes eléctricamente ruidosos, disparos espurios pueden ocurrir si el
nivel de ruido excede la tensión V GT y si suficiente corriente de puerta circula
para iniciar acción regenerativa dentro del triac. La primea línea de defensa es
minimizar la ocurrencia del ruido en primer lugar. Uno de los mejores
resultados es logrado por realizar las co nexiones de puerta tan corta como sea
posible y asegurando que el retorno común desde el circuito de disparo se
conecte directamente al terminal MT1 (o cátodo en el caso de un SCR). (los
tiristores y triac de potencia incluyen este terminal en su dispositivo). En
situaciones donde las conexiones de puerta son de conductor macizo, par
torcido o apantallado podría minimizarse acortándolas..
La inmunidad adicional de ruido puede proveerse agregando un resistor de
1kOhm
También es posible la utilización de un capacitor de tipo cerámico o de poliester
para filtrar las altas frecuencia o dv/dt.
(b) Excediendo el valor permitido de dv/dt
Esta es la mas probable ocurrencia cuando tenemos una carga altamente
reactiva, donde existe un considerable desfasaje entre la tensión de carga y la
corriente de la misma. Cuando el triac se bloquea , esto es la corriente se hace
cero, la tensión aplicada en los bornes del mismo no es cero, debido al
desfasaje entre ambas magnitudes, como es mostrado en la figura Nº6.
El triac entonces repentinamente requerirá bloquear esta tensión.
3º REGLA. Cuando diseñamos un circuito de disparo para triacs, trataremos de
no dispararlo al mismo en el 3º cuadrante. (MT2 -,G+), cuando esto sea posible.
4º REGLA. Para minimizar el ruido que toma la compuerta, el largo de conexión
tiene que ser lo mas corta posible. El retorno al terminal MT1 (o cátodo) tiene
que retornar en forma directa al terminal propiamente dicho. Colocar una
resistencia de no mas de 1
o
cátodo. Una red snubber es aconsejable para la compuerta. La alternativa de
utilizar la serie H de triacs, es válida si lo anterior es insuficiente.Sin
conmutación se puede forzar al triac a volver al estado de conducción si se
excede el valor permitido de dv/dt. Esto es debido a que los portadores en la
juntura no tienen el tiempo suficiente para abandonarla totalmente.
La capacidad para soportar dv/dt es afectada por dos de condiciones:
1. El valor de la caída de corriente en la conmutación esto es la di/dt. Alta di/dt
implica una capacidad de dv/dt.
2. La temperatura de juntura Tj. Si esta temperatura aumenta disminuye la
capacidad de soportar dv/dt.
Si el triac supera la máxima dv/dt permitida por el dispositivo, es probable
,también, que sufra falsos disparos. La manera más común para mitigar este
problema es con el uso de una red RC de amortiguación.
Estas redes se las conoce como red snubber.
Esta deberá estar entre los terminales MT1-MT2 para limitar el valor de cambio
de voltaje. Los valores comunes son: resistencia de 100 Ohm
elegida por su manejo de corriente y un capacitor de 100nF.
Nótese que la resistencia de la red snubber nunca debe omitirse, porque si así
fuere cuando el triac se dispare, pueda sufrir daños, debido a el dispositivo
puede superar el valor máximo de di/dt permitido al descargarse el capacitor
entre los bornes MT1 y MT2 sin limitación de corriente.
(b) Excediendo el valor permitido de di/dt
Altas di/dt son causadas por cargas altamente inductivas, alta frecuencia de
línea u onda no senoidal de corriente de carga. Una causa bien conocida de
corrientes de carga no senoidales y de di/dt un rectificador que alimenta una
carga inductiva. Esto puede generalmente implicar una conmutación fallada en
un triac común. Como la tensión de alimentación baja mas, el EMF la corriente
de la carga y de el triac baja rápidamente a cero.
El efecto de esto se muestra en la Figura 7.
Durante la condición de corriente cero por el triac, la corriente de carga será
transiente sobre el circuito rectificador. Las cargas de esta naturaleza pueden
generar di/dt tan altas que el triac no puede soportar una leve dv/dt
realimentada de 50 Hz que sube desde cero Volt. En este caso no trae ningún
beneficio poner una red snubber, ya que el problema no es la dv/dt. La di/dt
tendrá que ser limitada agregando una inductancia de algunos mH en serie con
la carga.
(d) Excediendo el valor permitido de dv/dt
Si se produce un cambio de tensión muy alto a través de un triac bloqueado (o
el tiristor sensible de puerta en particular) sin exceder su VDRM (en Figura. 8),
debido a capacidad interna puede circular corriente suficiente para activar al
triac. Esta condición se ve magnificada por el aumento de la temperatura.
Cuando ocurre este problema, la dv/dt debe ser limitada por una red snubber
entre sus terminales MT1 y MT2 (o ánodo y cátodo, para el caso del tiristor). La
utilización de Hi-com triacs ,en este caso ,puede ser beneficioso.
e) Excediendo el valor permitido de
VDRM (Tensión máxima repetitiva de trabajo
)
Si el voltaje de MT2 excede VDRM, tal como podría ocurrir durante un severo
y anormal transiente de línea, la corriente de fuga entre los terminales MT2 y
MT1, podrá hacer que el dispositivo pase al estado de conducción. Esto se ve
en la Figura 9.
Si la carga permite que un alto incremento de corriente fluya hacia la misma, la
densidad de corriente dentro de la pastilla del semiconductor puede hacer que
se forme un "punto caliente", estos puntos van destruyendo las características
del triac (o tiristor), hasta su destrucción total del mismo.
Las lámparas incandescentes, cargas capacitivas y protecciones del tipo
crowbar son circuitos que frecuentemente ocasionan estos inconvenientes.
El encendido por superación de VDRM no es necesariamente la amenaza
principal a su seguridad. Sí, lo es, la di/dt que le sigue. Esta si es muy probable
que pueda ocasionar el daño. ,debido al tiempo requerido para que la
conducción sea generalizada en toda la Juntura
5º REGLA. Cuando ocurran altas dvD/dt o dvCOM/dt es probable que causen
problemas. Una solución es la colocación de una red snubber entre los
terminales MT1 y MT2.
Del mismo modo, cuando altas di/dt son probables causas del problema, la
colocación de un inductor de algunos mH en serie con la carga mitiga el
problema.
El uso de Hi-com Triacs es una solución alternativa para ambos casos.
. El valor permitido de di/dt en estas condiciones, es inferior al que se produce
si el triac es encendido correctamente por una señal de compuerta. Si de
alguna manera se puede proteger al triac para que la di/dt no sobrepase este
valor( dado en los manuales de datos del dispositivo), es muy probable que el
Triac o tiristor en cuestión sobreviva.
Esto podría lograrse adaptando un inductor no saturable (núcleo de aire), de
algunos uH en serie con la carga.
Si la solución anteriormente es inaceptable o poco práctica, una solución
alternativa sería proveer un filtro adicional y clamping para impedir que los
picos de tensión alcancen los bornes del semiconductor. Esto involucraría
probablemente el uso de un Varistor (de Oxido Metálico- MOV) como un
limitador de los picos de voltaje de la línea de alimentación , en serie con la
inductancia seguida por el paralelo del capacitor y MOV.
Las dudas han sido expresadas por algunos fabricantes sobre la confiabilidad
de circuitos que usan MOVS, debido principalmente que en temperaturas
ambientales altas, las características de los mismos fallan catastróficamente.
Esto se debe al hecho que su voltaje activo posee un coeficiente de
temperatura negativo. Sin embargo, si el grado recomendado de voltaje de
275V RMS se usa para 220V de tensión de alimentación, el riesgo de que el
MOV falle, debería ser insignificante. Los tales fracasos son más probables si
MOVS de Vn = 250V RMS se usan, son utilizados para 220 VAC, a
temperaturas ambiente potencialmente altas.
Encendido diT/dt
Cuando un triac o SCR es disparado por el método correcto, esto es vía
compuerta, la conducción comienza en el área adyacente a la compuerta,
entonces rápidamente se esparce para cubrir el área activa entera. Esta
demora de tiempo impone un límite sobre el valor permisible de incremento por
unidad de tiempo de la corriente de carga. En otras palabras estamos hablando
de la di/dt que es la causa de "puntos calientes" dentro de la juntura. Estos
puntos son fusiones, lo cual lleva en un corto tiempo a un corto circuito entre
los terminales MT1 y MT2.
Si el disparo es en el 3º cuadrante, un mecanismo adicional reduce la di/dt
permitida. Es posible momentáneamente tomar la puerta en la avalancha
inversa durante el rápido incremento inicial de corriente. Esto no llevará a la
destrucción inmediata sino que habría progresivos puntos calientes en la
juntura compuerta - MT1 (dados como disminución de la resistencia efectiva),
después de la exposición repetida a estos procesos. Esto daría lugar a un
aumento de la IGT hasta que el triac no podrá ser mas disparado. Los triacs
sensibles son probablemente los más susceptibles.
6º REGLA. Si la tensión VDRM del triac es probablemente superada, por
transitorios de línea se pueden adoptar las siguientes medidas:
inductancia no saturable de algunos mH en
serie con la carga.
la alimentación.
La capacidad de soportar di/dt es a fectada por cuan rápido aumenta la
corriente de compuerta (diG/dt) y el valor pico de I
. Un alto valor de diG/dt y de IG(sin exceder las características de compuerta),
dan como resultado un mayor capacidad de absorber diT/dt.
Como se ha mencionado, una carga común con una corriente alta inicial es la
lámpara incandescente que tiene una resistencia de filamento fría muy baja.
Para cargas resistivas tal como esta, la diT/dt estaría a su más alto valor si la
conducción comienza en el pico de la senoidal de la tensión de alimentación. Si
es probable que la corriente exceda la característica de di/dt del triac
adoptado, se debe limitar esta di/dt con la inclusión de un inductor de unos mH
o con un termistor de Coeficiente Negativo de Temperatura con la carga, de
forma de que con la carga fría el ángulo de disparo sea grande (<Vef).
Nuevamente, el inductor no debe saturarse durante el pico de corriente
máximo. Si lo hace, su inductancia se derrumbaría y no limitaría más la diT/dt.
Un inductor de núcleo de aire es aceptado para este requerimiento. Una
solución más elegante que puede evitar el requerimiento de un limitador de
corriente en serie dispositivo estaría en usar el disparo en el cruce por cero.
Esto permitiría a la corriente comenzar a crecer mas gradualmente, desde el
comienzo de la onda senoidal.
NOTA: Es importante recodar que el disparo por el cruce de cero es
únicamente aplicable sobre cargas resistivas. Usar el mismo método para
cargas inductivas donde hay desfasaje entre el voltaje y la corriente puede
ocasionar conducciones en media onda o unipolares, conduciendo a la
saturación de las cargas reactivas, produciendo recalentamientos y corrientes
de pico mayores y posibles destrucciones. Más avanzó el control y en la
actualidad se da el disparo por corriente cero o disparo de ángulo variable
como requiere en este caso.
Apagado
Desde que apareció en el mercado el triac se usa en los circuitos de Corriente
Alterna, ellos conmutan naturalmente al final de cada ciclo medio de corriente
de la carga a menos que una señal de puerta se aplique en el inicio del
siguiente hemiciclo para mantener conducción. Las reglas para IH son al igual
que para el tiristor. Vea la Regla 2.
Hi-Com triac
El triac Hi-Com tiene una construcción interna diferente al triac convencional.
Una de las diferencias es que las dos mitades de tiristor "son bien separadas
para reducir la influencia que ellos tienen sobre el uno al otro. Esto ha rendido
varios beneficios:
1- Más alto dVCOM/dt. Esto los permite controlar cargas reactivas sin la
necesidad que una red snubber en la mayoría de los casos, mientras
todavía evite la falla de conmutación. Esto reduce la cantidad de
componentes, baja los costos y elimina disipación de potencia de la red
snubber.
7º REGLA . Un buen circuito de disparo y evitar los disparos en el 3º
cuadrantes mejora notablemente la capacidad de absorción de diT/dt
8º REGLA . Si la diT/dt se espera superar un inducto r de núcleo de aire de
algunos mH o una termistor NTC debe ser colocado en serie con la carga, o en
el circuito de control (este último circuito de disparo).
Una alternativa puede ser el empleo de circuitos de disparo por cruce por cero
para cargas resistivas.
2- Más alto dICOM/dt. Esto drásticamente mejora las oportunidades de
conmutar a frecuencia mas alta o señales no senoidales, sin la necesidad de
un limitador de diCOM/dt (inductor en serie con la carga).
3- Más alta dvD/dt. El Triacs llega a ser más sensible a temperaturas activas
altas. La mayor capacidad de dvT/dt del triac Hi-com reduce su tendencia a
disparos aleatorios producidos por dv/dt, cuando el dispositivo esta a una alta
temperatura. Esto los habilita a ser utilizados en aplicaciones de alta
temperatura, como control de cargas resistivas como: hornos eléctricos,
cocinas eléctricas, donde el uso de triacs comunes se dificulta por su
temperatura de entorno.
La construcción interna diferente también significa, que el disparo en el 3º
cuadrante no es posible. Esto no debería ser un problema en la gran mayoría
de los casos porque este es el el cuadrante en el cual no debería dispararse un
triac, o sea que es conveniente en reemplazo de un triac convencional por uno
Hi-com. Siempre que sea posible.
Diac: Fundamentos Básicos
El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para
Disparar T r i a c s y Tiristor es (es un dispositivo disparado por tensión).
Tiene dos terminales: A1 y A2. Ver el diagrama.
FIG-10: Representación de un Diac y estructura interna
Fundamentos Básicos del DIAC
El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en paralelo, pero
orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el
valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.
El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de
fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.
Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y
entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del
SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control depoten cia
mediante control de fase.
Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los
dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre
que se llegue a su tensión de cebado o de disparo (30v aproximadamente,
dependiendo del modelo). Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos
supera la tensión de disparo VBO; la intensidad que circula por el componente
Ees muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente
y
disminuyendo,
como
consecuencia,
la
tensión
anterior.
La
aplicación más conocida de este componente es el control de un triac para
regular la potencia de una carga.
2.-)Funcionamiento:
Un diac es un elemento semiconductor utilizado normalmente en el
control de potencia, lo que significa que servirá para controlar electrónicamente
el paso de corriente eléctrica.
La palabra diac quiere decir “Diodo de Corriente Alterna”. Este
componente es simétrico, por lo que se podrá conectar indistintamente en
cualquiera de los dos sentidos posibles. Dicho componente cuenta con dos
patillas de conexión.
El diac es un componente simétrico porque está formado por dos diodos
conectados en paralelo y en contraposición, por lo que cada uno de ellos
permitirá el paso de corriente de cada uno de los semiciclos de la corriente
alterna a que se le somete.
Para que un diac comience a funcionar, necesitará que se le apliquen
entre sus bornes una tensión determinada, momento después del cual
empezará a trabajar. La tensión mínima necesaria se denomina tensión de
disparo. Dicha tensión de disparo será aproximadamente de 30 V.
Normalmente, este tipo de componentes se emplean para controlar el disparo
de tipo de componentes, como lo son los tiristores y, fundamentalmente, para
el disparo de Triacs.
Fundamentos Básicos del DIAC
3.-) Principio de operación y curva característica:
La operación del DIAC consiste fundamentalmente en llevar la
estructura NPN hasta un voltaje de ruptura equivalente al BVCEO del transistor
bipolar. Debido a la simetría de construcción de este dispositivo, la ruptura
puede ser en ambas direcciones y debe procurarse que sea la misma magnitud
de voltaje. Una vez que el dispositivo empieza a conducir corriente sucede un
decremento en el voltaje de ruptura BVCEO, presentando una región de
impedancia negativa (si se sigue aumentando la corriente puede llegar hasta la
segunda ruptura), entonces se logra que el dispositivo maneje corrientes muy
grandes.
Figura 11.- Curva característica del DIAC
TRANSITOR MONOUNION (UJT)
El transistor monounión (UJT) se utiliza generalmente para generar señales de
disparo en los SCR. En la fig.10 se muestra un circuito básico de disparo UJT.
Un UJT tiene tres terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2.
Entre B1 y B2 la monounión tiene las características de una resistencia
ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 y
9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentación Vs en cd, se carga el
capacitor C a través de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT
está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC.
Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a
un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a través de RB1 a
una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho
menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv,
el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.
El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para
activar el SCR. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del
voltaje de alimentación Vs y está dado por:
T = 1/f = RC ln 1/1-n
Fig.12.- Circuito básico de disparo de un UJT
TRANSISTOR MONOUNIÓN PROGRAMABLE
El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor que aparece
en la fig.11. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajación, tal y
como se muestra en la fig.7b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la
alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el
voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp está fijo para un dispositivo
por el voltaje de alimentación de cd, pero en un PUT puede variar al modificar
al modificar el valor del divisor resistivo R! y R2. Si el voltaje del ánodo VA es
menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservará en su
estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta en una
caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico y el dispositivo se
activará. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de
la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje
de alimentación en cd Vs. N general Rk está limitado a un valor por debajo de
100 Ohms.
R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está
dado en forma aproximada por:
T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)
Fig.13.- Circuito de disparo para un PUT y simbología
Diodo Shockley
FIG- 14.- Símbolo del diodo Shockley.
FIG-15.-
Gráfica V-I del diodo Shockley
Un diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados
estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe
confundir con el diodo de barrera Schottky.
Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas
alternadamente. Es un tipo de tiristor.
La característica V-I se muestra en la figura 15. La región I es la región de alta
impedancia (OFF) y la III, la región de baja impedancia. Para pasar del estado
OFF al ON, se aumenta la tensión en el diodo hasta alcanzar V s , tensión de
conmutación. La impedancia del diodo desciende bruscamente, haciendo que
la corriente que lo atraviese se incremente y disminuya la tensión, hasta
alcanzar un nuevo equilibrio en la región III (Punto B). Para volver al estado
OFF, se disminuye la corriente hasta Ih , corriente de mantenimiento. Ahora el
diodo aumenta su impedancia, reduciendo, todavía más la corriente, mientras
aumenta la tensión en sus terminales, cruzando la región II, hasta que alcanza
el nuevo equilibrio en la región I (Punto A).
Vrb es la tensión inversa de avalancha.
Este dispositivo fue desarrollado por W. Shockley tras abandonar los
Laboratorios Bell y fundar Shockley Semiconductor. Fueron fabricados por
Clevite-Shockley