Dispositivos Semiconductores de potencia.Introduccin Dentro de
los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos
y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de
stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS,
transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y
el diodo Shockley. Existen tiristores de caractersticas especiales
como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el
tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo ms importante a considerar
de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona
la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los
electrodos principales. El componente bsico del circuito de
potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados
claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de
baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a
otro con facilidad y pequea potencia. Ser capaces de soportar
grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de
bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando
est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para
controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar
de un estado a otro. El ltimo requisito se traduce en que a mayor
frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia.
Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
Ahora veremos los tres bloques bsicos de semiconductores de
potencia y sus aplicaciones fundamentales: Semiconductores de alta
potencia Dispositivo Intensidad mxima
Rectificadores estndar o rpidos 50 a 4800 Amperios
Transistores de potencia 5 a 400 Amperios
Tiristores estndar o rpidos 40 a 2300 Amperios
GTO 300 a 3000 Amperios
Aplicaciones: Traccin elctrica: troceadores y convertidores.
Industria: Control de motores asncronos. Inversores. Caldeo
inductivo. Rectificadores. Etc. Mdulos de potencia Dispositivo
Intensidad mxima
Mdulos de transistores 5 a 600 A. 1600 V.
SCR / mdulos rectificadores 20 a 300 A. 2400 V.
Mdulos GTO 100 a 200 A. 1200 V.
IGBT 50 a 300A. 1400V.
Aplicaciones: Soldadura al arco. Sistema de alimentacin
ininterrumpida (SAI). Control de motores. Traccin elctrica.
Semiconductores de baja potencia Dispositivo Intensidad mxima
SCR 0'8 a 40 A. 1200 V.
Triac 0'8 a 40 A. 800 V
Mosfet 2 a 40 A. 900 V.
Aplicaciones: Control de motores. aplicaciones domsticas.
Cargadores de bateras. Control de iluminacin. Control numrico.
Ordenadores, etc. Aplicaciones generales: evolucin prctica
SCR y TriacsSCR (rectificador controlado de silicio)
FuncionamientoActa de manera muy similar a un interruptor.
Cuando est conduciendo presenta un camino de baja resistencia para
el flujo de energa de nodo a ctodo; por consiguiente acta como un
interruptor cerrado. Cuando est bloqueado, no puede fluir corriente
de nodo a ctodo; es decir acta como un interruptor abierto, debido
a que es un dispositivo de estado slido, la conmutacin de un SCR es
muy rpida. El SCR es un rectificador, de modo que solo permite el
paso de corriente durante el semiciclo positivo de la fuente AC.
Durante el semiciclo positivo el nodo del SCR es ms positivo que el
ctodo, esto significa que no puede estar en conduccin por ms de
medio ciclo, durante el otro medio ciclo la polaridad de la fuente
es negativa, y esta polaridad hace que el SCR quede inversamente
polarizado lo cual impide que circule cualquier corriente hacia la
carga.El valor promedio de la corriente que fluye por la carga,
puede controlarse colocando un SCR en serie con la carga, la fuente
de la figura podra ser de AC a 60 Hz o bien DC en circuitos
especiales Los trminos popularmente para describir como est
operando un SCR, ngulo de disparo y ngulo de conduccin. El ngulo de
conduccin de es el nmero de grados de un ciclo AC durante los
cuales el SCR est en conduccin. EL Angulo de disparo es el nmero de
grados ciclo AC que transcurren antes que el SCR pase al estado de
conduccin, estos trminos estn basados en la nocin de que el periodo
equivale a 360 grados La figura muestra las formas de onda de
control con SCR para dos ngulos de disparo distintos Interpretemos
la figura. Cuando el ciclo de AC comienza su alternancia, el SCR
est bloqueado. Por tanto, el voltaje instantneo a travs de sus
terminales nodo y ctodo, es igual al voltaje de la fuente. Esto es
justamente lo que sucedera si colocramos un interruptor abierto en
lugar del SCR. El SCR est tumbando est tumbando la totalidad del
voltaje de la fuente, el voltaje a travs de la carga es cero
durante este tiempo. El extremo izquierdo de las formas de onda
ilustra este hecho. Mas delante a la derecha del eje horizontal,
muestra que el voltaje de nodo a ctodo cae a cero despus de cerca
de un tercio de semiciclo positivo este es el punto correspondiente
a 60 grados cuando cae a cero el SCR ha sido cebado o ha pasado al
estado de conduccin. Por lo tanto el Angulo de disparo es de 60
grados posteriormente actuara con un circuito cerrado los
siguientes 120 grados, ambos ngulos siempre totalizan 180
grados.Polarizacin en CD o CA?Operacin con fuentes DC, funciona de
la siguiente manera cuando SW se cierra el SCR permite el paso de
corriente, la resistencia en el terminal de puerta debe
seleccionarse para que esto no ocurra. Una vez cebado, el SCR
permanecer en conduccin, la carga se mantendr energizada hasta
tanto se suprima la fuente de voltaje. El SCR se mantendr en
conduccin aunque el SW se abra pues no se necesita una corriente de
puerta para mantener el SCR en conduccin Operacin con fuentes AC,
cuando el interruptor est abierto, no es posible la circulacin de
corriente hacia la puerta. El SCR jams pasara a conduccin, de modo
que es un circuito en serie abierto con la carga, por tanto la
carga esta desenergizada.En cuales circuitos se aplican? Circuito
simple de disparo con SCR Retardo en el disparo usando
condensadores Operaciones en las cuales requieran que se entregue
una cantidad de potencia elctrica variable y controlada, la
iluminacin, el control de velocidad de un motor, la soldadura
elctrica y el calentamiento elctrico.Parmetros elctricos del SCRA
continuacin encontramos las siguientes siglas nos indicaran los
parmetros elctricos de los SCR en cada uno de sus pines y su
sensibilidad as como los volts y los amperios que pueden llegar a
soportar su encapsulado. Vase la tabla 1.1 y la tabla 1.2
-VRDM: Mximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: Mximo
voltaje directo sin cebado (VG = 0)- IF: Mxima corriente directa
permitida.- PG: Mxima disipacin de potencia entre compuerta y
ctodo.- VGT-IGT: Mximo voltaje o corriente requerida en la
compuerta (G) para el cebado- IH: Mnima corriente de nodo requerida
para mantener cebado el SCR- dv/dt: Mxima variacin de voltaje sin
producir cebado.- di/dt: Mxima variacin de corriente aceptada antes
de destruir el SCR.
EncapsuladosComo todos los semiconductores su apariencia externa
es la que nos indica la potencia que es capaz de disipar. En el
caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su
fabricacin es diverso, aqu aparecen los ms importantes.
# Conecte una resistencia de 1K Ohm entre la puerta y el ctodo.*
IGT (mx.) es la puerta de mxima corriente necesaria para activar un
tiristor a la del estado.
PinesLa tabla 1.3 nos da a conocer el nombre de cada uno de sus
pines dndonos a conocer cul es el ctodo, el nodo y la
compuerta.
SCR en comparacin con los diodos comunesLos diodos al igual que
los SCR son componentes que permiten conducir la corriente en un
solo sentido.
El SCR es un dispositivo semiconductor biestable formado por
tres uniones pn con la disposicin pnpn. Est formado por tres
terminales, llamados nodo, Ctodo y Puerta. La conduccin entre nodo
y ctodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento
unidireccional (el sentido de la corriente es nico), conmutador
casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. (Vase figura
1)Figura 1
La diferencia de un SCR con un diodo comn es que un diodo comn
permite el paso de la corriente sin una estimulacin y el SCR
necesita una pequea estimulacin en la compuerta para permitir el
paso de la corriente.Un ejemplo para entender esto sera el
siguiente: imaginemos que tenemos una lmpara de mano la cual
necesita que tengamos que mantener un botn presionado para que esta
emita su luz y tambin tenemos una lmpara de mano que con solo
presionar un botn una sola ves la luz permanece encendida. En este
caso la primera lmpara que se mencion seria como el SCR debido a
que necesita de una estimulacin para poder funcionar, y la segunda
lmpara seria como un diodo comn que con solo encenderla la luz
permanece encendida.
TRIAC.Funcionamiento.El triac es un dispositivo electrnico
semiconductor de tres terminales, de ah que se le conozca como un
tiristor y se usa para controlar el flujo de corriente promedio a
una sola carga, con la particular capacidad de dirigir la corriente
en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversin de la tensin o
al disminuir de la corriente debajo del valor de mantenimiento, el
Triac puede ser disparado independientemente de la polarizacin de
puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o
negativa.Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de
corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra,
dependiendo la direccin de flujo de la polaridad del voltaje
externo aplicado. Cuando el voltaje es ms positivo en MT2, la
corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2.
En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado.
Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las
terminales principales sin importar la polaridad del voltaje
externo aplicado por tanto acta como un interruptor
abierto.Polarizacin CD (Corriente Directa) o CA (Corriente
Alterna)
CD (Corriente Directa)
Un triac es un TIRISTOR BIDIRECCIONAL por lo que significa que
puede conducir en dos direcciones, en la imagen anterior podemos
apreciar el smbolo del triac, se pueden apreciar dos diodos
rectificadores juntos pero inversos, por lo que si alimentamos en
MT1 o nodo 1, con una seal DC de 5 v, del otro extremo en MT2
tendremos la misma salida de voltaje, ahora viceversa, si
alimentamos en MT2 la misma seal de 5v, del otro extremo en MT1
tendr la misma seal de 5v, por qu? porque como son dos diodos,
cuando es en MT1 fluye atreves del diodo derecho (imagen), mas no
por el izquierdo, y cuando es alimentado por MT2 es al revs, la
corriente fluye atravez del diodo izquierdo y no por el derecho,
esto siempre y cuando el triac, este siendo alimentando por un
Voltaje en la compuerta, al igual que un SCR si dejamos de
suministrar voltaje a la compuerta los diodos se bloquean lo que
impide el paso de corriente en cualquier direccin.
CA (Corriente Alterna)
Cuando un TRIAC es alimentando con corriente alterna, no importa
el sentido de sus terminales MT2 y MT2 dado a que cuando la
corriente pasa el semiciclo pasa por el diodo que se encuentra en
la correcta polarizacin y cuando llega al semiciclo negativo para
por el otro diodo que se encuentra inversamente polarizado, a
diferencia del SCR el triac permite el paso de la seal en su
totalidad todo esto siempre y cuando haiga una alimentacin positiva
en la terminal Gate o compuerta de lo contrario no habra ningn paso
de corriente.
En conclusin este triac puede trabajar con ambos tipos de
polarizacin en CA o CDAplicaciones.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. Ejemplo De Aplicacin.Puede verse una aplicacin
prctica de gobierno de un motor de c.a. mediante un triac
(TXAL228). La seal de control (pulso positivo) llega desde un
circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que
a su salida proporciona un 0 lgico por lo que circular corriente a
travs del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador).
Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al fototriac a
travs de R2 tomando la tensin del nodo del triac de potencia. Este
proceso produce una tensin de puerta suficiente para excitar al
triac principal que pasa al estado de conduccin provocando el
arranque del motor.Debemos recordar que el triac se desactiva
automticamente cada vez que la corriente pasa por cero, es decir,
en cada semiciclo, por lo que es necesario redisparar el triac en
cada semionda o bien mantenerlo con la seal de control activada
durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar,
entre los terminales de salida del triac se sita una red RC cuya
misin es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles
sobrecargas que se puedan producir por las corrientes inductivas de
la carga, evitando adems cebados no deseados.Es importante tener en
cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador de calor
constituido a base de aletas de aluminio de forma que el
semiconductor se refrigere adecuadamente.Parmetros Elctricos del
TriacLos Parmetros elctricos, son los datos de un dispositivos,
tales como:La tolerancia que tengan a las temperaturas.Cuanta
corriente elctrica puede tolerar.El tiempo que toma para realizar
el disparoLa corriente mnima necesaria para que se realice el
disparo.
Definicin de los parmetros del TriacVDRM (Tensin de pico
repetitivo en estado de bloqueo) = es el mximo valor de tensin
admitido de tensin inversa, sin que el triac se dae.IT(RMS)
(Corriente en estado de conduccin) = en general en el grafico se da
la temperatura en funcin de la corriente.ITSM (Corriente pico de
alterna en estado de conduccin (ON)) = es la corriente pico mxima
que puede pasar a travs del triac, en estado de conduccin. En
general seta dada a 50 o 60 Hz.I2t (Corriente de fusin) = este
parmetro da el valor relativo de la energa necesaria para la
destruccin del componente.PGM (Potencia pico de disipacin de
compuerta) = la disipacin instantnea mxima permitida en la
compuerta.IH (Corriente de mantenimiento) = la corriente directa
por debajo de la cual el triac volver del estado de conduccin al
estado de bloqueo.dV/dt ( velocidad critica de crecimiento de
tensin en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento
mximo permitido de la tensin en el nodo antes de que el triac pase
al estado de conduccin. Se da a una temperatura de 100C y se mide
en V/m s.tON (tiempo de encendido) = es el tiempo que comprende la
permanencia y aumento de la corriente inicial de compuerta hasta
que circule la corriente andica nominal.
VALORES MAXIMOS (2N6071A,B MOTOROLA)Tabla donde se muestran los
valores mximos del triac 2NTabla donde se muestran los parmetros
elctricos del TRIAC 2N6071A
Encapsulados de un Triac.
El encapsulado de tiristores y triacs vara mucho segn se trate
de productos de pequea, mediana o gran potencia con lo cual podemos
distinguir:Las cpsulas con hilos terminales: las ms conocidas son
las TO-5 y TO-18, con una versin plstica, la TO-92 Y el TO-220. A
propsito de estas cpsulas, conviene haber notar la evacuacin de
calor no se obtiene solo por la conveccin natural, sino tambin por
la conduccin al soporte mediante las terminales. La potencia
disipable podr as variar considerablemente con la longitud de estos
hilos y con la capacidad de disipacin del soporte.Adems de una
variante del TO-5 conviene incluso soldar la cpsula a un
refrigerador para poder obtener la potencia mxima anunciada.Las
cpsulas atornillables: se usan mucho en los diodos desde algunos
ampres hasta centenas de amperes. Su empleo es ms general en
tiristores y triac pero aun dominan la gama situada por encima de
15 a 20 A.
Tablas con los diferentes tipos de encapsulados que puede tener
un TRIAC
Terminales (pines) de un triac.Las terminales de Triac son las
siguientes.:MT1 (Main Terminal 1) o A1 (Anode 1), en ciertos
encapsulados la parte posterior metlica tambin forma parte de
MT1MT2 (Main Terminal 2) o A2 (Anode 2)G (Gate) o compuerta
Pines del triac en el smbolo Pines de un TRIAC fsicamente
NOTA: En los pines fsicos vara dependiendo del tipo de
encapsulado.
Comparacin Con Diodos Comunes (triac)
El TRIAC es un dispositivo semiconductor de tres terminales que
se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga,
con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser
bloqueado por inversin de la tensin o al disminuir la corriente por
debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado
independientemente de la polarizacin de puerta, es decir, mediante
una corriente de puerta positiva o negativa..Diodo rectificador: Es
un dispositivo que consiste en separar los ciclos positivos de una
seal de corriente alterna
Diodos rectificadores fsicos. Diferencia: entre un triac y un
rectificador es que el rectificador es solo un diodo que funciona
en un solo sentido positivo mintra que no funciona con inversa y
mientras que el triac son 2 diodos lo que lo hace bidireccional
mientras se le aplique corriente en lo que es el compuerta as
dejando pasar una seal senoidal completa tanto como en positivo
como en negativoDiferencia entre ambos tipos de circuitos de
disparo (CD y CA) (TRIAC)La diferencia entre CD y CA en CD funciona
con una pila se emplea es un interruptor en serie lo que controla
el disparo de corriente en el circuito mientras que en CA se usa un
transformador para hacer el disparo usa la resistencia limitadora
para moderar el paso de la corriente as no dejando pasar demasiada
carga al circuirteEsto quiere decir que cuadro son dos tipos de
corriente cambia el orden del circuito
Disparo en CD.En este caso la tensin de disparo proviene de una
fuente de tensin continua aplicada al TRIAC a travs de una
resistencia limitadora de la corriente de puerta. Es necesario
disponer de un elemento interruptor en serie con la corriente de
disparo encargado de la funcin de control, que puede ser un simple
interruptor mecnico o un transistor trabajando en conmutacin.Este
sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos
electrnicos alimentados por tensiones continuas cuya funcin sea la
de control de una corriente a partir de una determinada seal de
excitacin, que generalmente se origina en un transductor de
cualquier tipo.Disparo en CA.El disparo por corriente alterna se
puede realizar mediante el empleo de un transformador que
suministre la tensin de disparo, o bien directamente a partir de la
propia tensin de la red con una resistencia limitadora de la
corriente de puerta adecuada y algn elemento interruptor que
entregue la excitacin a la puerta en el momento
preciso.Bibliografa"Rectificadores, tiristores y triacs"M.GaudryEd.
Paraninfo, Madrid "Power electronics"M.J. FisherPWS-KENT "Power
electronics, circuits, devices and applications"H. Rashid
MuhammadPrentice Hall