1 INTRODUCCIN A LA ELECTRNICA INDUSTRIAL
Gracias a la electrnica se llevaron a cabo los descubrimientos
cientficos que tuvieron inmediata aplicacin prctica y viceversa,
las aplicaciones prcticas fomentaron la investigacin cientfica para
resolver diferentes problemas, lo cual a su vez abri nuevos
horizontes cientficos. Se resea la curiosidad cientfica que ha
tenido el hombre desde tiempos inmemoriales por las propiedades de
la electricidad El conocimiento cientfico de la electricidad dio
lugar, inmediatamente, a aplicaciones tecnolgicas importantes. stas
incluyen al telgrafo, con el que el hombre pudo comunicarse por
medios elctricos, y a las mquinas elctricas, o sea, motores
elctricos y generadores de electricidad. De esta forma, el hombre
tuvo a su disposicin fuentes de corriente elctrica de gran
intensidad, hecho que cambi drsticamente la vida, dando lugar a una
revolucin en la forma de vida de la humanidad, cuyas consecuencias
fueron la iluminacin elctrica y el telfono, entre otras.
Ya los hombres primitivos asignaban a las tormentas elctricas la
cualidad divina, y si una persona es alcanzada por un rayo, sta se
converta en un individuo sagrado, con poderes, por supuesto, en
caso que sobreviviera. Antes de pasar a ver el uso de la
electricidad y sus posibilidades en gran escala, nos adentraremos
en los diferentes tipos de electricidad. Electricidad analgica. La
electrnica analgica es una parte de la electrnica que estudia los
sistemas en los cuales sus variables; tensin, corriente,..., varan
de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos
valores (tericamente al menos). En contraposicin se encuentra la
electrnica digital donde las variables solo pueden tomar valores
discretos, teniendo siempre un estado perfectamente definido.
Electrnica digital. La electrnica digital es una parte de la
electrnica que se encarga de sistemas electrnicos en los cuales la
informacin est codificada en dos nicos estados. A dichos estados se
les puede llamar & quot; verdadero & quot; o & quot;
falso & quot, o ms comnmente 1 y 0, refirindose a que en un
circuito electrnico digital hay dos niveles de tensin. Se
diferencia de la electrnica analgica en que, para la electrnica
digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados,
mientras que para la electrnica analgica hay una infinidad de
estados de informacin que codificar segn el valor del voltaje.
Se denomina electrnica industrial a la rama de la ingeniera
elctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la
finalidad de alimentar otros equipos, transportar energa, controlar
el funcionamiento de maquinas elctricas, etc. Se refiere a la
aplicacin de dispositivos electrnicos, principalmente
semiconductores, al control y transformacin de potencia elctrica.
Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de
suministro elctrico a consumos industriales o incluso la
interconexin sistemas elctricos de potencia.
La ingeniera electrnica se encarga de los dispositivos de estado
slido para efectuar el control y la conversin de la energa. La
electrnica de potencia o electrnica industrial se puede definir
como la aplicacin de la electrnica de estado slido para conversin
de la energa elctrica. La electrnica industrial se utiliza en
controles de iluminacin, sistemas de calefaccin, fuentes de
alimentacin, etc. Los dispositivos semiconductores de potencia son:
Diodos de Potencia Tiristores Transistores de unin bipolares de
potencia Transistores de efecto de campo de pote4ncia Transistores
bipolares de compuerta aislada Transistores de induccin
estticos
1.1 HISTORIA Como hacia el fin de siglo XIX ya se haba inventado
el micrfono, que transforma una seal acstica en una elctrica. Por
otro lado, ya se haba inventado el audfono, aparato que transforma
una seal elctrica en una acstica. En este sistema las voces se
distorsionaban mucho, la energa con que se emita la onda era muy
pequea. Adems, el hecho de que la fraccin de energa que llegaba al
receptor era muy pequea, haca difcil su funcionamiento para
distancias grandes. La solucin ms satisfactoria fue lograda una vez
que se invent el tubo al vaco. Desde el siglo XVIII algunos
investigadores haban descubierto que si se calienta una superficie
metlica, sta emite cargas elctricas. Sin embargo, fue Thomas A.
Edison quien volvi a "desenterrar" este efecto en 1883, cuando
trataba de mejorar su lmpara incandescente. Este efecto, que se
llam "efecto Edison", tambin recibe el nombre de terminico. Fue el
mismo Edison quien invent un dispositivo en el cual la carga
elctrica emitida por la superficie metlica caliente (llamada ctodo)
es recogida por otra superficie fra (llamada nodo), logrndose de
esta forma una corriente elctrica. En la figura 1 se muestra cmo
Edison construy su dispositivo. Edison encerr los dos electrodos,
el nodo y el ctodo, dentro de un tubo de vidrio al vaco que tambin
utilizaba para elaborar sus lmparas de iluminacin. Por otro lado,
en el ao de 1897 el fsico ingls J. J. Thomson (1856-1940) descubri
la existencia de una partcula elctricamente cargada, el electrn.
Thomson demostr experimentalmente que el electrn tena carga
elctrica negativa. En el ao de 1906 Thomson recibi el Premio Nbel
de Fsica por su descubrimiento. En 1899 J.J. Thomson estableci que
las cargas que se liberaban al calentar la superficie metlica eran
electrones. En 1903 el fsico britnico John Ambrose Fleming
(1849-1945) fue el primero en encontrar una aplicacin prctica del
efecto Edison. Fleming era asesor de una compaa telegrfica y le
haban encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas
electromagnticas. L a compaa utiliz como detector de ondas un
cohesor, no muy eficaz. A partir de 1900, en algunos diseos de
receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro
como detectores que por cierto fueron
las primeras componentes de estado slido empleadas en
electrnica. Fleming record su trabajo anterior sobre el efecto
Edison, y encontr una solucin en este tipo de lmpara elctrica. El
avance ms importante en el desarrollo de la electrnica fue dado por
el fsico estadounidense Lee de Forest (1873-1961), en 1906, al
introducir en el tubo al vaco un tercer electrodo reticulado,
llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se
coloca entre el ctodo y el nodo, como se ve en la figura 2. De
Forest llam a su dispositivo audin, aunque ms tarde se le llam
trodo. Tuvo que trabajar con diferentes dispositivos antes de
conseguir el trodo. El trodo lo hace incorporar la seal y
amplificar su intensidad. A partir de 1907, hasta 1912, De Forest
trabaj en el diseo de un sistema de radio, muy rstico, el cual trat
de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas.
Tambin form una compaa para poder competir con la ATT en
comunicaciones de larga distancia. Su radio poda transmitir y
recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran
en forma confiable. Hacia 1912 De Forest haba alcanzado cierto
control en el comportamiento del trodo. Redujo la amplificacin(el
voltaje de la batera del nodo). Esta reduccin la compens conectando
varios triodos. As construy un amplificador, De Forest propuso su
venta a la ATT. Cuando De Forest hizo la demostracin de su
amplificador a la ATT en octubre de 1912, los fsicos de la empresa,
Harold D. Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se
percataron de que ese sistema era lo que buscaban. Dirigido por
Arnold, la ATT inici un proyecto de investigacin para entender y
dominar los principios fsicos del funcionamiento del trodo y as
poder construirlo eficazmente. En el transcurso de dos aos Arnold y
un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron
el dbil y no muy confiable audin, en un amplificador muy potente y
seguro. El trodo as mejorado hizo posible que el servicio telefnico
abarcara de costa a costa a Estados Unidos. Otras compaas hicieron
progresos significativos y la electrnica con tubos al vaco se
desarroll de manera impresionante de 1912 a 1932. Durante la
primera Guerra Mundial se us mucho la radio y se construyeron tubos
al vaco en grandes cantidades. Se utilizaron en 1915, en la
radiotelefona trasatlntica, para comunicar a Francia y Estados
Unidos. A principios de la dcada de 1930 se construyeron tubos al
vaco con ms elementos entre el ctodo y el nodo; stos fueron el
tetrodo, el pentodo.
Desarrollo de la Radio. Un elemento crucial para el desarrollo
de la radio fue el oscilador. Este circuito fue inventado en 1913
por el fsico estadounidense Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Es
un circuito basado en un trodo, de cuya salida se toma una parte de
la corriente que se vuelve a alimentar a la entrada del trodo,
formando un circuito de retroalimentacin. El primer programa pblico
de radio fue emitido en Inglaterra el 23 de febrero de 1920. As
naci radio. En 1933 Armstrong invent otro tipo de emisin de seales
de radio: el de frecuencia modulada (FM). La transmisin por FM,
iniciada comercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941,
comparada con la amplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que
sus transmisiones no se alteran con las perturbaciones, ya sean
atmosfricas o producidas por el hombre, que afectan la amplitud de
la onda pero no su frecuencia. En el sistema de FM no se presenta
el llamado fenmeno de "esttica", que es un ruido sistemtico que se
oye en emisiones de AM.
La radio como la conocemos en la actualidad fue la creacin de
tres hombres: Lee de Forest, autonombrado "padre de la radio", cuya
invencin del trodo hizo posible el nacimiento de la electrnica
moderna; Edwin Howard Armstrong, inventor del circuito
retroalimentador (y del oscilador) as como de la frecuencia
modulada, que forman la base de la transmisin y recepcin de los
sistemas actuales de radio (y de televisin); finalmente, David
Sarnoff, quien encabez la Radio Corporation of America (RCA).
Desarrollo de Televisin. Hace alrededor de un siglo, varias
personas empezaron a considerar la posibilidad de enviar imgenes
por medios elctricos (o sea, lo que hoy en da hace la televisin).
En 1884, el alemn Pal Nipkow solicit una patente para un sistema de
televisin que l denomin "telescopio elctrico". Este rstico aparato
era dispositivo electromecnico que utilizaba una fotocelda para
transformar luz en corriente elctrica. La imagen no reproduca los
detalles finos. Variaciones de este se disearon hasta 1930 sin que
realmente tuviesen xito. En una reunin de la Sociedad Roentgen,
efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero elctrico A. A.
Campbell Swinton present un esquema de sistema de televisin, que es
el que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir
se enfocara sobre una placa hecha de material no conductor de
electricidad, por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de
un tubo de rayos catdicos. Este tubo fue inventado a mediados del
siglo XIX por William Crookes para estudiar las propiedades de las
corrientes elctricas a travs de gases. Para el receptor, Campbell
Swinton escogi un tubo de rayos catdicos diseado en 1897 por
Ferdinand Braun, de la Universidad de Estrasburgo, en ese entonces
parte de Alemania. Este tubo, llamado cinescopio, es de vidrio al
vaco y tiene en su fondo una pantalla de material fluorescente,
como fsforo, que emite luz cuando un haz de electrones incide sobre
l. A medida que el haz electrnico barre la superficie de la
pantalla, sta se va iluminando punto por punto. Esta fue una idea
de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnologa de la
televisin. Campbell Swinton cre el diseo conceptual sobre el cual
personas trabajaran. Fue Vladimir Zworykin (1889-1982), un
ingeniero ruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construy la
primera cmara prctica. En 1924 mostr a la compaa Westinghouse una
versin primitiva, pero que funcionaba. Las imgenes eran dbiles y
vagas, casi sombras. Los directivos de la empresa no se
impresionaron tampoco cuando Zworykin les mostr una versin mejorada
en 1929. A quien s impresion Zworykin fue a David Sarnoff, director
de otra compaa, la RCA Victor, quien crea en la promesa comercial
de la televisin. Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como
director de investigacin electrnica y en 1933 finalmente convenci a
Sarnoff de que su cmara, a la que llam iconoscopio (del griego
iekon, imagen, y skopon, ver), y su cinescopio eran satisfactorios.
Campbell Swinton haba propuesto que fueran de rubidio, pero
Zworykin descubri que era mejor cubrir plata con xido de cesio. La
RCA prob por primera vez un sistema completo en 1933. Transmiti
imgenes de 240 lneas a una distancia de siete kilmetros en
Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el nmero de lneas;
actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema de
televisin en funcionamiento. Por problemas burocrticos el gobierno
no aprob la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941. Durante
los aos de la segunda Guerra mundial, cientficos e ingenieros
dirigidos por Zworykin desarrollaron una cmara 100 veces ms
sensible que el iconoscopio, al terminar la guerra, la RCA reinici
sus trabajos en el campo de la televisin.
El Radar y la Batalla de Inglaterra.
Desde principios de la dcada de 1980, tanto Gran Bretaa como
Francia continuaban un programa muy importante de desarme que haban
empezado la dcada anterior. Alemania, contraviniendo lo estipulado
en el Tratado de Versalles inici, con el advenimiento del rgimen
nazi, un amplio programa de rearme. En pocos aos se desarroll un
arma muy poderosa para su poca, el bombardeo areo. O cada pas
desarrollaba un cuerpo de bombarderos areos, o se llevaba a cabo un
desarme general. Gran Bretaa opt por esto ltimo, pero no Alemania.
En la dcada de 1930 fue muy popular el concepto del rayo de la
muerte: poda causar incapacidad fsica, mental y aun la muerte.
Durante dicha dcada hubo buen nmero de personas que pretendieron
haber inventado y construido dispositivos que producan diferentes
tipos de rayos. Anlisis mostraban que siempre haba algn truco. Se
construy un pequeo sistema acstico, que dara una seal cuando
recibiera los sonidos producidos por los aviones, no era funcional
ya que no distingua entre el ruido producido por el atacante y
otros sonidos, automviles, animales. H. E. Wimperis, jefe de
Investigacin Cientfica e Industrial del Ministerio, llam al doctor
Robert Watson Watt, fsico y director del Laboratorio de
Investigacin de Radio y le pregunt sobre el prospecto de
desarrollar algn rayo de la muerte. Watson Watt regres a su
laboratorio y propuso lo siguiente al doctor Arnold Wilkins, fsico
y ayudante suyo: calcule la cantidad de potencia de radiofrecuencia
necesaria para elevar la temperatura de 4 litros de agua de 35.5 C
a 41C a una distancia de 5 km y a una altura de 1 kilmetro. Su
clculo mostr que se necesitaba generar una potencia enorme era
claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la
radio. Wilkins le dijo a Watson que los ingenieros de la Oficina de
Correos se haban dado cuenta de perturbaciones en la recepcin de
muy altas frecuencias cuando algn avin volaba en la vecindad de sus
receptores. Esta observacin(enero de 1935) dio lugar al inicio de
una serie de hechos que culminaron con la invencin del radar. Se
inici la verificacin experimental, que se encomend a Wilkins, quien
con su rudimentario equipo pudo detectar y dar la trayectoria que
haba seguido un avin. Los primeros aspectos que resolvieron fue la
presentacin visual de la informacin recibida, emplearon un tubo de
rayos catdicos . Se le hicieron muchas modificaciones para que
pudiera detectar tanto la distancia a la que se encontraba un avin,
sino tambin su altura. La mayor parte del sistema estaba completo
en septiembre de 1938, cuando ocurri la crisis de Munich. Se
instalaron en los aviones ingleses dispositivos electrnicos que al
recibir la onda enviada desde tierra emitan a su vez una seal
especial que los identificaba como amigos. En agosto de 1939, tres
semanas antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, Gran Bretaa
cont con un sistema de deteccin de aviones. Con ayuda del radar,
los ingleses podan detectar la salida de los aviones alemanes desde
sus bases situadas en pases conquistados, como Francia y
Blgica.
1.2 DISPOSITIVOS DE CONMUTACION Un conmutador es un dispositivo
elctrico o electrnico que permite modificar el camino que deben
seguir los electrones. Son tpicos los manuales, como los utilizados
en las viviendas y en dispositivos elctricos, y los que poseen
algunos componentes elctricos o electrnicos como el rel. Se
asemejan a los interruptores en su forma exterior, pero los
conmutadores a la vez que desconectan un circuito, conectan otro.
Seguidamente se describen los tipos de conmutadores ms usuales.
Conmutador alternativo Tambin denominado conmutador de hotel o de
dos direcciones sin punto neutro. Se utilizan siempre que haya que
activar o desactivar un dispositivo desde dos lugares diferentes,
como por ejemplo una lmpara. En las viviendas es tpico encontrarlos
en los salones o pasillos. Conmutador de cruce
Ejemplo de aplicacin: punto de luz conmutado desde tres puntos
distintos. Conocido tambin como conmutador inversor, este elemento
no se instala nunca aislado, siempre han de ir acompaado por los
conmutadores alternativos. Sirven por ejemplo para poder encender o
apagar una lmpara desde tres puntos distintos, para lo cual se
emplean dos conmutadores alternativos y un conmutador de cruce segn
se aprecia en la figura. Si el nmero de puntos de encendido/apagado
es mayor de tres, se intercalarn tantos conmutadores de cruce como
puntos se tengan, siempre entre dos conmutadores alternativos.
Triac: El Triac puede ser considerado como la integracin de 2 SCR's
en forma paralela invertida. El smbolo elctrico del TRIAC, as como
sus caractersticas de Voltaje corriente, se muestran en la figura.
Cuando la terminal T1 es positiva con respecto a la terminal T2, y
el dispositivo es disparado por una corriente positiva en la
terminal gate (+ig), ste se enciende. De igual forma, cuando la
terminal T2 es positiva con respecto a la terminal T1 y el
dispositivo es disparado por una corriente negativa en la terminal
gate , el dispositivo tambin se enciende. Es un componente simtrico
en cuanto a conduccin y estado de bloqueo se refiere, pues la
caracterstica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 -T2 es igual a
la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una cada de
tensin en conduccin prcticamente igual a las de un tiristor y el
hecho de que entre en conduccin, si se supera la tensin de ruptura
en cualquier sentido, lo hace inmune a destruccin por
sobretensin.
El modo de operacin del Triac, se describe a continuacin: El
TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y
III mediante la aplicacin entre los terminales puerta y T1 de un
impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo
grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuacin se
vern los fenmenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de
disparo posibles. Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a
T1. Intensidad de puerta entrante. Funcionan las capas P1N1P2N2
como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalizacin
del terminal del ctodo cortocircuita parcialmente la capa emisora
N2 con la P2. La corriente de puerta circula internamente hasta T1,
en parte por la unin P2N2 y en parte a travs de la zona P2. Se
produce la natural inyeccin de electrones de N2 a P2 que es
favorecida en el rea prxima a la puerta por la cada de tensin que
produce en P2 la circulacin lateral de corriente de puerta. Parte
de los electrones inyectados alcanzan por difusin la unin P2N1, que
bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella inicindose
la conduccin. Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.
Intensidad de puerta saliente. El disparo es similar al de los
tiristores de puerta de unin. Inicialmente conduce la estructura
auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal. El disparo de la primera se
produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de ctodo.
Toda la estructura auxiliar se pone a la tensin positiva de T2 y
polariza fuertemente la unin P2N2 que inyecta electrones hacia el
rea de potencial positivo. La unin P2N1 de la estructura principal
que soporta la tensin exterior, es invadida por electrones en la
vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conduccin. Modo III
+ : Terminal T2 negativo respecto a T1. Intensidad de puerta
entrante.
El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta
remota. Entra en conduccin la estructura P2N1P1N4. La inyeccin de
electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los
que alcanzan por difusin la unin P2N1 son absorbidos por su
potencial de unin, hacindose ms conductora. El potencial positivo
de puerta polariza ms positivamente el rea de la unin P2N1 prxima a
ella que la prxima a T1, provocndose una inyeccin de huecos desde
P2 a N1 que alcanza en parte la unin N1P1 encargada de bloquear la
tensin exterior y se produce la entrada en conduccin. Modo III - :
Terminal T2 negativo respecto a T1. Intensidad de puerta saliente.
Tambin se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo
las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen
ms conductora la unin P2N1. La tensin positiva de T1 polariza el
rea prxima de la unin P2N1 ms positivamente que la prxima a la
puerta. Esta polarizacin inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en
parte la unin N1P1 y la hacen pasar a conduccin. Los cuatro modos
de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los
modos I + y III - los ms sensibles, seguidos de cerca por el I -.
El modo III + es el disparo ms difcil y debe evitarse su empleo en
lo posible.
El Triac es usado frecuentemente en muchas aplicaciones de baja
potencia como extractores de jugo, mezcladoras y aspiradora. Es
econmico y fcil de controlar en comparacin de 2 SCR's conectados en
forma antiparalela . Sin embargo, el Triac tiene una baja capacidad
de dv/dt y un largo tiempo de apagado. No es recomendable su uso en
niveles altos de voltaje y corriente. Diac: Dispositivo
semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del
transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en
ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales
son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los
triacs que para el control en fase de los circuitos. Es un tipo de
tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo
de dos terminales que funciona bsicamente como dos diodos Shockley
que conducen en sentidos opuestos.
La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento
del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarizacin
directa como en inversa. Cualquiera que sea la polarizacin del
dispositivo, para que cese la conduccin hay que hacer disminuir la
corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las
partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma
anloga, no tienen por qu ser simtricas.
GTO (Gate Turn-off Thyristor) Un tiristor GTO puede ser
encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal
gate (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un
pulso de corriente negativa en la terminal gate. Ambos estados,
tanto el estado de encendido como el estado de apagado del
dispositivo son controlados por la corriente en la terminal gate.
El smbolo para el tiristor GTO usado ms frecuente, as como sus
caractersticas de conmutacin se muestran en la figura. El proceso
de encendido es similar al del tiristor. Las caractersticas de
apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es
aplicado a travs de las terminales gate y ctodo, la corriente en el
gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su mximo
valor IGR, la corriente de nodo comienza a caer y el voltaje a
travs del dispositivo (VAK), comienza a crecer.
El tiempo de cada de la corriente de nodo (IA) es abrupta,
tpicamente menor a 1 s. Despus de esto, la corriente de nodo vara
lentamente y sta porcin de la corriente de nodo es conocido como
corriente de cola. La razn (IA/IGR) de la corriente de nodo IA a la
mxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje
es baja, comnmente 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 el gate de 250 A para el apagado.
La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor
convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de
silicn (pnpn), 3 uniones y tres terminales (nodo, ctodo y gate). La
diferencia en la operacin, radica en que en que una seal negativa
en el gate puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre
apagado y no exista seal en el gate, el dispositivo se bloquea para
cualquier polaridad en el nodo, pero una corriente de fuga (IA
leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea
hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este
punto existe un proceso dinmico de encendido., VAK = 3V y la
corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y
con la aplicacin de una voltaje en inversa, solo una pequea
corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarizacin en inversa VAK
puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje
del voltaje de ruptura inverso depende del mtodo de fabricacin para
la creacin de una regeneracin interna para facilitar el proceso de
apagado. Con un voltaje de polarizacin directo aplicado al nodo y
un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se
enciende y permanece de esa forma. Para sta condicin, existen 2
formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de nodo IA
por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding
Ih, en la cual, la accin regenerativa interna no es efectiva. La
segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y
este es el mtodo ms recomendable porque proporciona un mejor
control. Como el GTO tiene una conduccin de corriente
unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, ste se
aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos
inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que
los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos
niveles de potencia los semiconductores de conmutacin rpida son
preferibles. En la conversin de AC - DC, los GTO's, son tiles
porque las estrategias de conmutacin que posee, pueden ser usadas
para regular la potencia, como el factor de potencia.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) El IGBT es un
dispositivo semiconductor de potencia hbrido que combina los
atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y
por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate
maneja voltaje como el MOSFET. El smbolo ms comnmente usado se
muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT
no exhibe el fenmeno de ruptura secundario como el TBJ. La
estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porcin
de la estructura es la combinacin de regiones n+ , p y n- que
forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la regin de
flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinacin
de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unin bipolar entre el
drain D y el source. La regin p acta como colector C, la regin n-
acta como la base B y la regin p+ acta como el emisor E de un
transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+
que forman un tiristor. Este tiristor es parsito y su efecto es
minimizado por el fabricante del IGBT.
Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente.
Esto significa que no existe ningn voltaje aplicado al gate. Si un
voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente,
la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor
de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON
en el que la seal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la
terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a
la terminal S. LA seal de encendido es un voltaje positivo VG que
es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso
de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de
encendido
MCT (MOS- Controlled Thyristor) El MCT es otro dispositivo
semiconductor de potencia hbrido que combina los atributos del
MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el
mercado. El smbolo de ste dispositivo se muestra en la figura. Est
integrado por 2 MOSFET's, uno de ellos enciende al tiristor y el
otro lo apaga.
Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas
coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de
conduccin (y de bloqueo). Tambin, todos los MCT's tienen integrados
dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutacin.
Entre el nodo A y el ctodo K existe una estructura pnpn que como ya
se mencion forma la estructura del tiristor del MCT. La regin gate
- nodo est formada por ms de 105 celdas. Este largo nmero de celdas
provee superficies cortas de largas secciones transversales para
una rpida y uniforme conmutacin de corriente. Dentro de la regin
nodo - gate existen dos MOSFET's. Uno de ellos es un canal p, tipo
pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo
npn que es usado para el apagado. Existen otras regiones p-pn+ que
producen el encendido y el apagado del MCT. La estructura descrita
aqu es muy general y no muestra que solo el 4 por ciento de las
celdas que posee el MOSFET sirven para el encendido.
En su operacin, si el ctodo K es positivo con respecto al nodo,
no importando la polarizacin del gate, el MCT va a caer a un
voltaje muy bajo, sta situacin debe ser evitada. Si el nodo A es
positivo con respecto al ctodo K, y no existe un voltaje en le
gate, el MCT permanece en estado de apagado hasta que un voltaje de
ruptura es alcanzado cuando una avalancha de ruptura ocurre. En la
prctica una pequea corriente de fuga IA leak existe en el estado de
bloqueo hasta que la ruptura suceda y el dispositivo se encienda.
Si el nodo es positivo con respecto al ctodo y un voltaje negativo
es aplicado al gate, el MCT se enciende. La cada de voltaje VMCT
(ON) es muy pequea y vara desde 0. 7 V sin carga hasta 1.1 V a
plena carga. La corriente de nodo es limitada solo por el valor de
la impedancia de la carga. Si el MCT est encendido, la aplicacin de
un voltaje positivo en el gate, regresa al dispositivo al estado de
apagado hasta que un voltaje negativo en el gate es aplicado.
1.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas del FET 1) Son dispositivos controlados por tensin con
una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios). 2) Los
FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. 3) Los FET son ms
estables con la temperatura que los BJT. 4) Los FET son ms fciles
de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten
integrar ms dispositivos en un CI. 5) Los FET se comportan como
resistencias controlados por tensin para valores pequeos de tensin
drenaje-fuente. 6) La alta impedancia de entrada de los FET les
permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su
utilizacin como elementos de almacenamiento. 7) Los FET de potencia
pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.
Desventajas que limitan la utilizacin de los FET 1) Los FET
presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta
capacidad de entrada. 2) Los FET presentan una linealidad muy
pobre, y en general son menos lineales que los BJT. 3) Los FET se
pueden daar debido a la electricidad esttica. En este apartado se
estudiarn brevemente las caractersticas de ambos dispositivos
orientadas principalmente a sus aplicaciones analgicas.
HUB es el componente electrnico que permite un enlace fsico en
las redes de estrella. Ventajas
Si un PC se desconecta o se rompe el cable solo queda fuera de
la red ese PC. Fcil de agregar, reconfigurar arquitectura PC. Fcil
de prevenir daos o conflictos. Centralizacin de la red
no sale como crear una red en estr ella Desventajas
Si el nodo central falla, toda la red deja de transmitir. Es
costosa, ya que requiere ms cable que las topologas bus o anillo.
El cable viaja por separado del concentrador a cada
computadora.
1.4 TERMINOLOGIA
ADSL :Asymmetric Digital Subscriber Line (LneadeAbonadoDigital
Asimtrica) ATM: Asynchronous Transfer Mode (Modalidad de
Transferencia Asncronoa) ATU: ADSL termination Unit (Unidad de
Terminacin ADSL) CHA: Challenge-Handshake Authentication Protocol
(Protocolo de Autentificacin de "retar - dar la mano") CO: Central
Office (Oficina Principal)
DHCP:DynamicHostConfigurationProtocol(ProtocolodeConfiguracinde
Anfitrin Dinmico) DNS: Domain Name Service (Servicio de Nombres de
Dominio) DSL: Digital Subscriber Line (Lnea de Abonado Digital)
DSLAM: Digital Subscriber Line Access MultiPlexer (Multiplexor de
Acceso de Lnea de Abonado Digital) Firmware: Software, en forma
binaria, almacenada dentro de un EEPROM o flash ICMP: Internet
Control Message Protocol (Protocolo de Mensaje de Control Internet)
IPC IP: IP Control Protocol (Protocolo de Control IP) ISP: Internet
Service Provider (Proveedor de Servicios de Internet) LCP: Link
Control Protocol (Protocolo de control de enlace) NAP: Netowork
Access Provider (Proveedor de Acceso a la Red) NAPT: Network
Address Port Translation (Traduccin de Puerto de Direccin de Red)
NCP: Network-layer Control Protocol (Protocolo de Control de capa
de red) NSP: Network Service Provider (Proveedor de servicios de
red) OCD: Out of cell Delineation (ATM error condition) (Delineacin
fuera de celda - Condicin de Error ATM) PAP: Password
Authentication Protocol (Protocolo de autentificacin de contrasea)
POST: Power On Self Test (Auto chequeo de arranque) PPP: Point to
Point Protocol (Protocolo de Punto a Punto) PTT: Post telephone and
telegraph (Telco europeo) PVC: Permanent Virtual Circuit (Circuito
Virtual Permanente) SMTP: Simple Mail Transport Protocol (Protocolo
de Transporte de Correo Sencillo) SNMP: Simple Network Management
Protocol (Protocolo de Gestin de Red Sencillo) RIP: Routing
information Protocol (Protocolo de Informacin de Enrutamiento) RT:
Remote Termnation (Terminacin Remota)
II UNIDAD 2 DISPOSITIVOS DE ELECTRNICA INDUSTRIAL
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 ingls) Triac
Transistor IGBT Tiristor GTO Tiristor IGCT MCT Convertidores de la
Energa Elctrica Conversin de potencia es el proceso de convertir
una forma de energa en otra, esto puede incluir procesos
electromecnicos o electroqumicos. Dichos dispositivos son empleados
en equipos que se denominan convertidores estticos de potencia,
clasificados en: -Rectificadores: convierten corriente alterna en
corriente continua -Inversores: convierten corriente continua en
corriente alterna -Cicloconversores: convierten corriente alterna
en corriente alterna -Choppers: convierten corriente continua en
corriente continua En la actualidad esta disciplina est cobrando
cada vez ms importancia debido principalmente a la elevada
eficiencia de los convertidores electrnicos en comparacin a los
mtodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso
imprescindible para que se produjera esta revolucin fue el
desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas
potencias necesarias en tareas de distribucin elctrica o manejo de
potentes motores. Aplicaciones Las principales aplicaciones de los
convertidores electrnicos de potencia son las siguientes: -Fuentes
de alimentacin: En la actualidad han cobrado gran importancia un
subtipo de fuentes de alimentacin electrnicas, denominadas fuentes
de alimentacin conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su
elevado rendimiento y reduccin de volumen necesario. El ejemplo ms
claro de aplicacin se encuentra en la fuente de alimentacin de los
ordenadores. -Control de motores elctricos: La utilizacin de
convertidores electrnicos permite controlar parmetros tales como la
posicin, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de
control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire
acondicionado. Esta tcnica, denominada comercialmente como
"inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una
regulacin de velocidad que permite ahorrar energa. Asimismo, se ha
utilizado ampliamente en traccin ferroviaria, principalmente en
vehculos aptos para corriente continua (C.C.) durante las dcadas
de
los aos 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energa a
las necesidades reales del motor de traccin, en contraposicin con
el consumo que tenan los vehculos controlados por resistencias de
arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo
vlido, pero ya no se emplea en la fabricacin de nuevos vehculos,
puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor
trifsico, mucho ms potente y fiable que el motor de colector.
-Calentamiento por induccin: Consiste en el calentamiento de un
material conductor a travs del campo generado por un inductor. La
alimentacin del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente
en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios
convertidores electrnicos de frecuencia. La aplicacin ms vistosa se
encuentra en las cocinas de induccin actuales. -Otras: Como se ha
comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la
electrnica de potencia. Adems de las ya comentadas destacan:
sistemas de alimentacin ininterrumpida, sistemas de control del
factor de potencia, balastos electrnicos para iluminacin a alta
frecuencia, interfase entre fuentes de energa renovables y la red
elctrica, etc. -Las lneas de investigacin actuales buscan la
integracin de dispositivos de potencia y control en un nico chip,
reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No
obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre
zonas trabajando a altas tensiones y circuitera de control, as como
la disipacin de la potencia perdida.
2.1 CONSTRUCCION DE DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS 1EL DIODO
SHOCKLEY El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: nodo
y ctodo. Est constituido por cuatro capas semiconductoras que
forman una estructura pnpn. Acta como un interruptor: est abierto
hasta que la tensin directa aplicada alcanza un cierto valor,
entonces se cierra y permite la conduccin. La conduccin contina
hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor especfico
(IH).
Figura: Construccin bsica y smbolo del diodo Shockley
2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) El SCR es un dispositivo de
cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de
poseer tres terminales: nodo, ctodo y puerta (gate). Al igual que
el diodo Shockley, presenta dos estados de operacin: abierto y
cerrado, como si se tratase de un interruptor.
Figura: Construccin bsica y smbolo del SCR
3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH) Este dispositivo es similar al
SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de
corriente con una seal en el terminal de gate. Igual que el SCR, no
permitir el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba
en el terminal de puerta. La diferencia se encuentra en que el GCS
puede pasar al estado de corte mediante un pulso negativo 10 20
veces mayor que el pulso positivo aplicado para entrar en
conduccin.
Figura: Smbolo del GCS
4 SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH) Es similar en cuanto a
construccin al SCR. La diferencia est en que posee dos terminales
de puerta, uno para entrar en conduccin y otro para corte. El SCS
se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR.
Figura: Smbolo del SCS 5 EL DIAC Es un tipo de tiristor que
puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos
terminales que funciona bsicamente como dos diodos Shockley que
conducen en sentidos opuestos.
Figura: Construccin bsica y smbolo del diac
6 EL TRIAC Este dispositivo es simular al diac pero con un nico
terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de
corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje VBO como el
diac.
Figura: Construccin bsica y smbolo del TRIAC.
2.2 ANALISIS DE CIRCUITOS EQUIVALENTES CON DIODOS
YTRANSISTORES
DIODOS ZENER La corriente en la regin Zener tiene una direccin
opuesta a la d un diodo polarizado directamente. El diodo Zener es
un diodo que ha sido diseado para trabajar en la regin Zener.
De acuerdo con la definicin, se puede decir que el diodo Zener
ha sido diseado para trabajar con voltajes negativos (con respecto
a l mismo). Es importante mencionar que la regin Zener (en un diodo
Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un
incremento en el nmero de impurezas agregadas, disminuye el
potencial o el voltaje de Zener VZ. As, se obtienen diodos Zener
con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y
potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver como un
dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta
como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ
volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.
En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra
sobrevoltajes, el mximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8
volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8
volts, entonces este se activar cuando el voltaje en la carga
sea 4.8 volts, protegindola de esta manera. EL DIODO EMISOR DE LUZ
(LED) El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible,
infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de
polarizacin de un LED vara desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente
necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.
Principio de Funcionamiento: En cualquier unin P-N polarizada
directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la
unin, ocurre una recombinacin de huecos y electrones (al paso de la
corriente). Esta recombinacin requiere que la energa que posee un
electrn libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las
uniones P-N una parte de esta energa se convierte en calor y otro
tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se
transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta
razn se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's,
como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio
(GaP).
Otros diodos son:
Diodos Schottky (Diodos de Barrera). Diodos Varactores o
Varicap. Diodos Tunel.
Fotodiodos. Diodos emisores de luz infrarroja. Diodo de inyeccin
lser (ILD). Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en
colores: verde, rojo, amarillo, mbar, azul y algunos otros. En este
punto del curso vale la pena tomar en cuenta los siguiente
comentarios: - Qu tan vlido es utilizar las aproximaciones ? - Qu
tan exacto puede ser un clculo y/o una medicin realizada en el
laboratorio ? Hay que tener en cuenta que las caractersticas
obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas
para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos
en el mismo lote. Tambin hay que tener en cuenta otro tipo de
tolerancias como los resistores, uno marcado de 100 puede ser
realmente de 98 o de 102 o tal vez si ser exacto, y una fuente
"ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o
tal vez a 10V. 1.6 Comportamiento de CC de un diodo. ANLISIS POR
RECTA DE CARGA La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada
a un circuito, tendr un efecto importante sobre el punto de regin
de operacin de un dispositivo (en este caso el diodo).
Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff: V - VD - VL = 0 V =
VD + IDRL Si se realiza un anlisis en esta malla, de tal manera que
pueda trazarse una lnea recta sobre la curva de caractersticas del
diodo, entonces la interseccin de stas representar el punto de
operacin de la red o punto Q.
Ntese que la recta de carga queda determinada en sus extremos
por RL y V, de tal manera que representa las caractersticas de la
red. Si se modifica el valor de V o de RL o de ambos, entonces la
recta de carga cambiar tambin. Los extremos de la recta de carga se
obtienen buscando las intersecciones con los ejes (ID = 0 y despus
VD = 0): Si VD = 0:
V = IDRL ID = V / RL Si ID = 0:
V = VD VD = V Como se mostr anteriormente, una lnea recta
trazada entre estos dos puntos define la recta de carga. Es muy
vlido tambin utilizar para el diodo, en lugar de la curva real, la
curva del modelo simplificado. En este caso, el punto Q no cambiar
o cambiar muy poco.
Si en lugar del modelo simplificado se utilizara el modelo del
diodo ideal, entonces s cambiara mucho el punto Q.
2.3 Descripcin y caractersticas de funcionamiento de Tiristores:
SCR, TRIAC, DIAC, GTO, IGBTSSCREste elemento fue desarrollado por
ingenieros de General Electric en los aos 1960. Aunque un origen ms
remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por
William Shockley (premio Nobel de fsica en 1956) en 1950, el cual
fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956.
Gordon Hall lider el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior
comercializacin por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General
Electric. FUNCIONAMIENTO El tiristor es un conmutador biestable, es
decir, es el equivalente electrnico de los interruptores mecnicos;
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 bsico puede observarse tambin en el diodo Shockley.
El diseo del tiristor permite que ste pase rpidamente a encendido
al recibir un pulso momentneo de corriente en su terminal de
control, denominada puerta (o en ingls, gate) cuando hay una tensin
positiva entre nodo y ctodo, es decir la tensin en el nodo es mayor
que en el ctodo. Solo puede ser apagado con la interrupcin de la
fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una
corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza
inversamente en el tiristor existir una dbil corriente inversa de
fugas hasta que se alcance el punto de tensin inversa mxima,
provocndose la destruccin del elemento (por avalancha en la unin).
Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado
activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el
nodo, y adems debe haber una pequea corriente en la compuerta capaz
de provocar una ruptura por avalancha en la unin J2 para hacer que
el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado
activo se debe inducir desde el nodo una corriente de
sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el
dispositivo dejara de conducir.
TRIAC Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo
semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con
un tiristor convencional es que ste es unidireccional y el TRIAC es
bidireccional. De forma coloquial podra decirse que el TRIAC es un
interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura
interna se asemeja en cierto modo a la disposicin que formaran dos
SCRen direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este
caso pierden la denominacin de nodo y ctodo) y puerta. El disparo
del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo
puerta
APLICACIONES Su versatilidad lo hace ideal para el control de
corrientes alternas. Una de ellas es su utilizacin como interruptor
esttico ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecnicos
convencionales y los rels. Funciona como interruptor electrnico y
tambin a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas
aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para
motores elctricos, y en los sistemas de control computarizado de
muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas
inductivas como motores elctricos, 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.
Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy
reducido.
DIACLos DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente
para disparar los triac, otra clase de tiristor. Es un dispositivo
semiconductor de dos terminales, llamados nodo y ctodo. Acta como
un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje
entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje
puede estar entre 20 y 36 volts segn la referencia.
DIAC de tres capas
Existen dos tipos de DIAC: DIAC de tres capas: Es similar a un
transistor bipolar sin conexin de base y con las regiones de
colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece
bloqueado hasta que se alcanza la tensin de avalancha en la unin
del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el
transistor conductor, producindose un efecto regenerativo. Al ser
un dispositivo simtrico, funciona igual en ambas polaridades,
intercambiando el emisor y colector sus funciones. DIAC de cuatro
capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo,
lo que le da la caracterstica bidireccional.
GTO Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del ingls Gate Turn-Off
Thyristor) es un dispositivo de electrnica 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 caractersticas de apagado son un poco diferentes.
Cuando un voltaje negativo es aplicado a travs de las terminales
puerta (G) y ctodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece.
Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su mximo valor, IGR,
la corriente de nodo comienza a caer y el voltaje a travs del
dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de cada de la
corriente de nodo (IA) es abrupta, tpicamente menor a 1 us. Despus
de esto, la corriente de nodo vara lentamente y sta porcin de la
corriente de nodo es conocido como corriente de cola. La razn
(IA/IGR) de la corriente de nodo IA a la mxima corriente negativa
en la puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comnmente
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.
ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTOLa estructura del GTO es
esencialmente la misma que un tiristor convencional. Existen 4
capas de silicio (PNPN), 3 uniones (P-N, N-P y P-N) y tres
terminales: nodo (A), ctodo (C o K) y puerta (G). La diferencia en
la operacin radica en que una seal negativa en la puerta (G) puede
apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista
seal en la puerta, el dispositivo se bloquea para cualquier
polaridad en el nodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe.
Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un
voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un
proceso dinmico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es
determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicacin
de una voltaje en inversa, solo una pequea corriente de fuga (IA
leak) existe. Una polarizacin en inversa VAK puede ser alcanzada
cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura
inverso depende del mtodo de fabricacin para la creacin de una
regeneracin interna para facilitar el proceso de apagado. Con un
voltaje de polarizacin directo aplicado al nodo y un pulso de
corriente positiva es aplicada a la puerta G (gate), el GTO se
enciende y permanece de esa forma. Para sta condicin, existen 2
formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de nodo IA
por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding
Ih, en la cual, la accin regenerativa interna no es efectiva. La
segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y
este es el mtodo ms recomendable porque proporciona un mejor
control. Como el GTO tiene una conduccin de corriente
unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, ste se
aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos
inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que
los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos
niveles de potencia los semiconductores de conmutacin rpida son
preferibles. En la conversin de AC - DC, los GTO's, son tiles
porque las estrategias de conmutacin que posee, pueden ser usadas
para regular la potencia, como el factor de potencia.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del ingls
Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor
que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos
de electrnica de potencia. Este dispositivo posee la caractersticas
de las seales de puerta de los transistores de efecto campo con la
capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturacin 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 excitacin del IGBT es como el del
MOSFET, mientras que las caractersticas de conduccin son como las
del BJT. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no
haban sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores
de frecuencia as como en las aplicaciones en maquinas elctricas y
convertidores de potencia que nos acompaan cada da y por todas
partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso:
automvil, tren, metro, autobs, avin, barco, ascensor,
electrodomstico, televisin, domtica , Sistemas de Alimentacin
Ininterrumpida o SAI (en Ingls UPS), etc.
CARACTERISTICA El IGBT es adecuado para velocidades de
conmutacin de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas
aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energas
como fuente conmutada, control de la traccin en motores y cocina de
induccin. Grandes mdulos 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. Se
puede concebir el IGBT como un transistor Darlington hbrido. Tiene
la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere
de la corriente de base para mantenerse en conduccin. Sin embargo
las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser
igualmente altas. En aplicaciones de electrnica de potencia es
intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja ms potencia
que los segundos siendo ms lento que ellos y lo inverso respecto a
los primeros.
Circuito equivalente de un IGBT.
Este es un dispositivo para la conmutacin en sistemas de alta
tensin. La tensin de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece
la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una seal
elctrica de entrada muy dbil en la puerta.