-
1
TEMA 5. SEMICONDUCTORES
Mientras que los conductores ofrecen una escasa resistencia al
paso de la corriente y los aislantes ofrecen una
elevada resistencia, los semiconductores ofrecen una resistencia
intermedia.
La caracterstica fundamental de los semiconductores es que
poseen 4 electrones en su rbita ms exterior (rbita de
valencia), por eso nos referimos al Silicio (Si) y al Germanio
(Ge). Con esta estructura, se establecen enlaces
covalentes (comparticin de electrones) de manera que los tomos
se agrupan en una estructura reticular donde uno
de ellos est en el centro de un cubo y otros cuatro (los
enlazados con l) en cuatro vrtices de un cubo. De esta
manera cada tomo tiene su ltima rbita completa al estilo de
los
gases nobles con 8e- en su ltima capa.
La salida de un electrn del enlace covalente deja un HUECO al
que
se tratar como una carga positiva por su apetencia a
absorber
electrones para restaurar el enlace covalente roto.
En estas condiciones en una red cristalina aislada habr un
nmero
de ELECTRONES igual al de HUECOS porque como sabemos la
materia es neutra.
Cuando a partir de ahora hablemos de movimientos de huecos,
como los huecos son representaciones de la salida de electrones,
lo
que estar ocurriendo es que un electrn se mueve en sentido
contrario al movimiento de los huecos.
a) Comportamiento de un semiconductor puro (sin dopar ) ante la
tensin.
Si aplicamos una d.d.p. a un semiconductor puro, el polo
negativo de la pila atraer a los huecos dejando por tanto un
electrn libre en la estructura. El polo positivo atraer a los
electrones quedando un hueco libre en la estructura. Se
mantendrn por tanto las concentraciones de huecos y electrones y
el circuito funcionar como si tuviese una
resistencia de valor intermedio entre conductor y aislante.
b) Semiconductor tipo N
Se denomina dopado a la introduccin de elementos distintos del
Ge o del Si en una red cristalina semiconductora.
Si a la red de Si o Ge le aadimos tomos de Sb (Antimonio)
o As (Arsnico) que poseen 5 electrones en su ltima capa,
estos tomos se integran en la red cristalina ocupando el
puesto que ocupar otro tomo de Ge o Si. Sin embargo
sobra un electrn del Sb o del As y tiende a salir de su
rbita
para dejar al As o al Sb con 8 electrones en su ltima capa.
Obtenemos una estructura donde el nmero de electrones
libres es mayor que el de huecos libres (aunque la red sigue
siendo elctricamente neutra en conjunto).
Si sometemos a un semiconductor tipo N a una d.d.p los
electrones irn hacia el polo positivo mientras que los
huecos
irn hacia el polo negativo, pero al haber ms electrones
libres que huecos dominara la circulacin de electrones.
-
2
P N
c) Semiconductor tipo P
Si a la red de Si le aadimos tomos de Boro o Aluminio, que
poseen tres electrones en su ltima capa ahora
tendremos un excedente de huecos puesto que el B o el Al slo
pueden compartir 3 electrones.
Si aplicamos una d.d.p. al semiconductor P, los huecos
tendern a ir al polo negativo y una de electrones al polo
positivo, pero al haber ms huecos domina la circulacin de
estos.
d) La unin P-N
Recapitulando:
-Tipo P: n huecos > n electrones libres
-Tipo N: n electrones libres > n huecos
Si unimos un P con un N, los huecos de P quieren combinarse con
los electrones de N. Huecos y electrones se encuentran en la
interface (unin) y se neutralizan. Pero como la zona N ha ido
perdiendo electrones, y la materia es neutra, queda cargada
positivamente. As mismo, como la zona P ha ido perdiendo huecos y
la materia es neutra, quedar cargada negativamente. Combinando
ambos efectos, aparece una ddp llamada barrera de potencial, que
cuando llega a un valor
determinado, se opone a que sigan circulando hacia la interface
huecos y electrones.
EL DIODO
Se representa de la siguiente forma:
Surge como resultado de una unin P-N
- Si sometemos una unin P-N a una d.d.p. de manera que se oponga
a la barrera de potencial hablaremos de polarizacin directa y se
permite el paso libre de la corriente elctrica (con una pequea cada
de potencial).
- Si sometemos una unin P-N a una d.d.p. de manera que aumente
la barrera de potencial hablaremos de polarizacin inversa y no se
permite el paso libre de la corriente elctrica.
El diodo tiene dos partes:
nodo (+) Ctodo (-)
-
3
- Un circuito en polarizacin directa sera del tipo descrito a
continuacin (nodo al polo positivo y ctodo al polo
negativo).
SE PERMITE EL PASO DE LA CORRIENTE SIN OPOSICIN
Se ilumina la lmpara
- Un circuito en polarizacin inversa sera del tipo descrito a
continuacin (nodo al polo negativo y ctodo al polo
positivo).
NO SE PERMITE EL PASO DE LA CORRIENTE.
No se ilumina la lmpara
Por tanto, la curva completa, con sus principales parmetros
queda:
Donde se observan tres zonas de trabajo diferenciadas:
-
4
Aplicaciones
Los diodos de unin tienen dos aplicaciones bsicas: como
rectificadores, y como conmutadores.
Rectificadores.
La propiedad ms obvia de la unin PN es su carcter unilateral, es
decir, la corriente slo puede ir en una direccin. Recordemos que un
diodo ideal es un interruptor, y un buen rectificador debe
acercarse a esta caracterstica. La corriente inversa debe ser casi
despreciable, y la tensin inversa de ruptura debe ser grande,
mientras que la tensin umbral debe ser lo ms pequea posible.
A continuacin se muestra su smbolo normalizado y algunos diodos
comerciales:
Conmutadores.
Ya hemos visto antes que si se considera el diodo como ideal, su
comportamiento es como el de un interruptor. Por tanto, si
conseguimos un diodo real donde el tiempo de respuesta sea mnimo,
ya que el tiempo entre conexin y desconexin debe ser casi cero,
habremos obtenido un diodo de conmutacin, Para que el diodo tenga
estas propiedades se suele dopar con oro al semiconductor, para que
disminuya el nmero neto de portadores.
A continuacin se muestra su smbolo normalizado.
Identificacin de los terminales de un diodo
Para poder identificar el nodo y el ctodo de un diodo,
imprescindible para polarizarlo correctamente, se debe consultar el
catlogo o las hojas de caractersticas o bien realizar una serie de
comprobaciones.
Identificar un diodo a simple vista no resulta sencillo, pues no
existe un criterio homogneo, sino que depende de su
construccin:
Para los diodos pequeos con cubierta de vidrio, el ctodo suele
estar indicado con un punto coloreado; si es de plstico, el ctodo
se indica con una franja coloreada o bien con la extremidad
redondeada.
En diodos ms grandes, el nodo suele estar indicado por un
tringulo o por la letra A.
Pero es ms seguro y fiable acudir al uso del hmetro, con el
siguiente procedimiento de comprobacin:
1. Se conecta el supuesto nodo del diodo con la punta positiva:
2. Si la lectura es baja, significar que existe conduccin y se
confirmar que el terminal es el nodo. Invirtiendo las
puntas, se obtendr una lectura de una resistencia muy elevada, y
tendremos los terminales identificados y el funcionamiento del
diodo comprobado.
3. Si la lectura es alta, significar que no hay conduccin y por
tanto el terminal medido es el ctodo.
-
5
EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)
El diodo LED (diodo emisor de luz o Light Emmiting Diode) es un
diodo contaminado de una forma especial, de forma que cuando se
polariza en forma directa los electrones que se recombinan con un
hueco emiten energa en forma de radiacin dentro del espectro
luminoso visible (si emiten radiacin infrarroja reciben la
denominacin de IRED (Infra-Red Emitting Diode).
Utilizando diferentes materiales de contaminacin de la unin se
consiguen distintas frecuencias de radiacin y con ello diferentes
colores.
El resto del funcionamiento es igual que un diodo normal, aunque
su cada de tensin en polarizacin directa suele ser algo mayor (1,5
a 2,2 V) tomando como medio un valor de 2 V. La corriente de
excitacin directa depende del tipo de diodo LED y su color, estando
comprendidas entre 10 mA y 50 mA.
Se ha de conectar una resistencia limitadora de polarizacin en
serie con el LED, cuyo clculo se hace con la siguiente frmula:
R = (Vs - Vd) / Id
Ejemplo: para Vs = 12 V, Vd = 1,5 V , Id = 10 mA --> R =
1.050
Tienen la ventaja frente a las lmparas tradicionales de su gran
duracin y resistencia a impactos y vibraciones, aunque su
intensidad luminosa es limitada por lo que suelen utilizarse ms
como sealizacin que como fuente luminosa.
Su representacin se realiza con un smbolo como el del diodo,
pero con dos flechas sobre l apuntando al exterior, que representan
la emisin de luz.
El encapsulado est formado por un material resinoso, al que se
puede dar diferentes formas, tamaos y colores.
Una de sus patillas es ms larga que la otra para identificar el
nodo y ctodo respectivamente.
-
6
Un LED puede ser conectado a una alimentacin de corriente
alterna. Para ello es necesario utilizar un diodo auxiliar, que
elimine los semiciclos negativos de la tensin de entrada.
LEDs bicolores, tricolores e intermitentes
El LED bicolor es idntico, en su forma fsica, al de un solo
color. La polaridad aplicada entre sus patillas determina el color
de la radiacin emitida. Interiormente est formado por dos LED's
conectados en antiparalelo. Esto hace que solamente se ilumine uno
de ellos dependiendo de la conexin con la alimentacin.
El LED tricolor est formado por tres patillas, que corresponde a
dos diodos conectados en ctodo comn. Conectado el ctodo a la masa
de la alimentacin, cuando se aplica el positivo a una de las
patillas, el LED emite un color, si se hace sobre la otra, el color
obtenido es distinto. Si se alimentan las dos a la vez, la radiacin
luminosa es una mezcla de ambos.
LEDs intermitentes. Su conexin y apariencia fsica es idntica al
LED normal. Lleva incorporado un pequeo circuito integrado en su
interior, que genera la frecuencia de destello.
Generalmente este tipo de LED no necesita resistencia limitadora
para su conexin a la alimentacin.
Displays
El LED con forma rectangular alargada, se denomina segmento LED.
Combinando en un mismo dispositivo varios segmentos LED se obtienen
los denominados displays, que permiten crear caracteres
alfanumricos.
El display ms sencillo es el constituido por 7 segmentos LED
formando un ocho. Dependiendo de la combinacin que se realice con
ellos, es posible obtener diferentes figuras, nmeros o letras.
Estos se pueden encontrar en configuracin de nodo o ctodo comn
dependiendo del terminal de los segmentos que se encuentran unidos
interiormente.
-
7
Matriz de puntos
Otro tipo de display con mayor precisin en la representacin de
smbolos, es el llamado de matriz de puntos, que est formado por una
serie de filas y columnas de LEDs circulares (8x8, 6x8, 5x7,...).
Tienen la ventaja de poder ser apilados en horizontal y en vertical
para obtener pantallas de gran tamao. Su mayor inconveniente es la
complejidad del circuito que lo gobierna.
DIODO ZENER
El diodo zener es un diodo fabricado de manera especial para
trabajar en zona de ruptura inversa sin que se destruya.
Ya sabemos, por anlisis de su curva de trabajo, que si se
polariza inversamente un diodo normal, apenas circula corriente,
unos pocos microamperios o nanoamperios a lo sumo (corriente
inversa). Pero al aumentar en exceso la tensin inversa, se produce
el efecto avalancha, con un aumento brusco de la corriente inversa
que destruye el diodo.
Para evitarlo se fabrican los diodos zener, cuyo smbolo es
alguno de los mostrados en las figuras:
Su comportamiento es el siguiente:
Polarizado directamente se comporta como un diodo normal, con
una cada de tensin directa de unos 0,7 V.
Polarizado inversamente, prcticamente no conduce hasta llegar a
la llamada tensin de zener (VZ) a que se produce el efecto
avalancha o efecto zener, con un aumento muy grande de la
intensidad para pequeos aumentos de la tensin. En la zona de
trabajo la VZ permanece prcticamente constante para cualquier
IZ.
Se fabrican diodos zener para gamas de tensiones de zener (VZ)
desde 2 hasta 200 V:
3.9 V, 4.7 V, 5.6 V, 6.8 V, 8.2 V, 10 V, 12 V...
En el caso del diodo zener interesa la caracterstica de
polarizacin inversa que, por comodidad, se representa de forma
invertida. NO CONFUNDIR CON LA POLARIZACIN DIRECTA!!
En la figura siguiente se representan las curvas para diodos
zener de tensiones de zener de 3,9 a 12 voltios:
-
8
Su empleo fundamental es para mantener estable una tensin de
salida a partir de una tensin de entrada que flucta entre
determinados valores.
Los datos ms importantes que hay que tener en cuenta cuando
tengamos que elegir un diodo zener para cualquier tipo de aplicacin
son:
La tensin de zener, Vz, es aquella que con ligeras variaciones
mantiene el diodo entre sus extremos cuando se polariza
inversamente. Las variaciones de tensin se producen cuando cambia
la corriente que atraviesa el diodo en sentido inverso. (Iz)
La potencia de zener, Pz, es el valor mximo que el elemento
puede disipar cuando est polarizado, tambin en sentido inverso.
La corriente mxima de zener, Iz, se obtiene dividiendo la
potencia por la tensin nominal. Si se sobrepasa esta corriente, el
diodo queda inservible.
EL TRANSISTOR
En el ao 1942, los fsicos norteamericanos Bardeen, Brattain y
Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el
transistor. Debido a la gran importancia de dicho descubrimiento,
se les concedi en 1956 el Premio Nbel de Fsica.
Exteriormente est formado por un caparazn o cpsula que puede
tener diferentes formas, del que salen tres patillas metlicas, o ms
tcnicamente dicho, tres electrodos o terminales y en algunos casos
solamente dos ya que el tercer terminal lo forman el recubrimiento
metlico de la cpsula.
La primera consecuencia del descubrimiento del transistor, fue
que los aparatos electrnicos pudieron hacerse mucho ms pequeos, al
ocupar el transistor un volumen mucho menor que las vlvulas
electrnicas anteriormente empleadas. En la figura se muestra el
dibujo de una vlvula en su tamao real y el correspondiente tamao de
un transistor.
-
9
Se redujo tambin mucho el consumo de corriente, porque las
vlvulas necesitaban calentamiento y el transistor no.
El transistor es un semiconductor que dispone de tres zonas
asociadas a tres electrodos (colector C, base B, y emisor E),
podemos encontrar, por tanto, transistores NPN o PNP basndose en
los mismos principios de funcionamiento.
En el transistor NPN, la base y el emisor forman, en este caso,
una cohesin PN, de ah el sentido de la flecha en el smbolo. El
funcionamiento, explicado de un modo simplificado, podra expresarse
como, que a partir de una dbil corriente de base se gobierna una
carga situada entre el colector y el emisor del transistor. Esto
significa que pequeas corrientes elctricas pueden ser amplificadas,
o lo que es lo mismo, que seales dbiles pueden transformarse en
otras suficientemente fuertes.
La unin entre emisor-colector se comporta como un interruptor,
abierto o cerrado, segn la presencia o no de corriente en la
base.
Si bien existen otras configuraciones diferentes, esta es la ms
empleada en electrnica de potencia, recibe el nombre de
corte-saturacin.
Los transistores de potencia estn siendo desplazados por los
transistores IGBT, con mejores caractersticas para la
conmutacin.
La intensidad que atraviesa el emisor es igual a la intensidad
que pasa por el colector ms la intensidad que pasa por la base.
IE=IC+ IB
Para polarizar este transistor hacen falta dos F.A. cuyos polos
positivos estn conectados a la base y al colector, quedando el
emisor al negativo de las dos F.A. Adems la tensin base-emisor
(Vbe) debe ser superior a 0.7 V para que haya conduccin. De este
modo surge la relacin Ie = Ic + Ib, donde se cumple que Ib < Ic,
del orden de 100 veces menor.
Para polarizar un transistor correctamente debe tener la unin
base-colector en inversa y la unin base-emisor en directa. Y adems
debe tener resistencias que limiten la corriente por el mismo. Un
ejemplo sera el de la figura:
-
10
En la prctica no se utilizan dos F.A. para polarizar un
transistor, sino solo una, y se logra la polaridad adecuada por
medio de resistencias. La forma de conectar estas da lugar a los
distintos tipos de circuitos de polarizacin.
Si se hace Ib suficientemente grande, la cada de tensin entre
colector y emisor puede hacerse casi cero. Se dice entonces que el
transistor est saturado, mientras que si Ib se hace cero la
corriente por el transistor es nula y se dice que el transistor est
en corte. Los transistores que funcionan en corte y saturacin no
realizan funciones de amplificador, sino de conmutador.
En el transistor PNP, es la unin emisor-base la que forma la
cohesin PN, lo que explica el sentido contrario de la flecha en el
smbolo.
Invirtiendo la polaridad de las F.A. las corrientes tendrn el
sentido opuesto al modelo NPN, pero las relaciones permanecen
invariables.
Funcionamiento del transistor
El transistor es un componente de control y regulacin de la
corriente elctrica, es decir, permite o se opone al paso de la
corriente y puede regular su intensidad. Es el componente ms
importante de la electrnica, los microchips estn
formados por transistores en cantidades que oscilan desde unos
pocos a varios millones.
El transistor se comporta como una vlvula que permite o no el
paso de agua a la manera del siguiente esquema. Quizs el modo de
trabajar de un transistor puedes fcilmente comprenderlo con un
ejemplo ms fcil que podramos llamar: el transistor hidrulico
-
11
Cuando no hay un chorro de agua que entre por B y venza la
fuerza del muelle, la vlvula no permite la comunicacin
entre C y E, de manera que se comporta como si hubiese un
interruptor abierto.
Sin embargo cuando el chorro que entra por B vence la fuerza del
muelle, la vlvula se desplaza permitiendo la
comunicacin y el paso del agua de C a E. Adems segn la fuerza
que lleve el chorro, la vlvula se abrir ms o menos
permitindonos regular la comunicacin entre C y E.
Elctricamente ocurre lo mismo, y podemos regular con precisin la
intensidad que atraviesa el dispositivo con una
pequea corriente que entra por B. Es decir, si la intensidad
IB=0, la intensidad IE=IC=0.
Esto mismo es lo que tenemos en los transistores elctricos,
cambiando caudal de agua por corriente:
1. Por la base no se le suministra corriente: transistor no deja
conducir entre colector y emisor. 2. Por la base se le suministra
una pequea corriente: Se puede controlar el paso de corriente entre
el colector y el
emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es mucho
mayor que la corriente que le suministramos a la base.
3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que
circule la mxima corriente entre colector y emisor, se dice que el
transistor est saturado y la corriente que se le suministra a la
base es la necesaria para producir la saturacin del transistor.
Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y
en saturacin, mientras que cuando trabaja como
amplificador trabaja con corrientes en la base menores para
controlar la corriente entre colector y emisor.
Los transistores se pueden catalogar en dos tipos
principales:
Transistores de unin bipolar (BJT) (Bipolar Junction
Transistor)
Transistores de efecto campo (FET) (Field-Effect Transistor)
La exposicin anterior define a los TRT bipolares que, a da de
hoy, es el dispositivo habitualmente empleado en conversin de
energa.
Basndonos en la tensin que pueden soportar en rgimen dinmico
(evolucin en el tiempo), podemos distinguir tres grandes
familias:
Tensiones hasta 250 V.
Tensiones entre 250 y 500 V.
En alta tensin, para tensiones superiores a 700 V.
La aplicacin que ms nos interesa es la fabricacin de reguladores
de conmutacin que funcionan directamente a partir de la red de
400/420 V rectificada.
Para definir las diferentes configuraciones en funcin de las
zonas de trabajo, empezaremos por definir la funcin de cada
terminal del TRT.
El emisor: es el encargado de inyectar portadores en la base
(huecos en PNP, electrones en NPN). La base: determina el estado de
conduccin o bloqueo del TRT. El colector: Es el encargado de
recoger los portadores de la base, que en su mayora han sido
inyectados por el emisor.
Recibe el nombre de zona de trabajo, cada una de las cuatro
combinaciones que se pueden obtener variando el sentido de las
tensiones aplicadas a las uniones del TRT, siendo estas:
Zona activa: Unin emisor-base polarizada directamente,
colector-base en inversa. El TRT se comporta como un amplificador
de seal.
Zona de corte: Ambas uniones estn polarizadas en inverso. El TRT
se comporta como un interruptor abierto.
Zona de saturacin: Ambas uniones estn polarizadas directamente.
El TRT se comporta como un interruptor cerrado.
Zona activa inversa: La unin base-emisor en inversa, y
colector-base en directo. No se suele emplear, ya que su
comportamiento es como el de activa pero con valores de
amplificacin muy inferiores a esta.
Las zonas de corte y saturacin se emplean en electrnica digital
y de potencia, mientras que la zona de amplificacin se utiliza en
electrnica analgica.
-
12
PRUEBA DE TRANSISTORES Para la prueba de transistores debemos
identificar primero sus terminales, los cuales son Base, Colector y
Emisor, adems si se trata de un transistor del tipo NPN o PNP, como
se describe a continuacin.
1. Seleccione en el multmetro la escala de diodos.
2. Observe la referencia del transistor, la mayora de los
transistores que comienzan su referencia con las letras C y D son
del tipo NPN, y los que comienzan con las letras A y B suelen ser
del tipo PNP.
3. Si el transistor es NPN, entonces tome la punta positiva del
tester o multmetro (punta roja) toque y
mantenga la punta sobre uno de los terminales del transistor,
ahora con la punta negativa (punta negra) toque los dems
terminales. El terminal que marque con los otros 2 terminales, ser
la base, de los otros 2 terminales el que marque menor resistencia
con la base, ser el colector y obviamente el otro ser el emisor.
Para el transistor PNP repita este procedimiento pero comenzando
con la punta negativa para identificar a la base del
transistor.
4. Una vez identificado el transistor, fjese en las lecturas
obtenidas entre la base con el colector y el emisor,
debe medir el valor de las junturas entre los terminales que
comnmente es de 400 a 700 v.
5. Si al realizar la prueba del transistor, la lectura es 0 v el
transistor esta en corto circuito, si se obtiene alguna lectura
entre colector y emisor, el transistor tiene una fuga, si no
obtenemos ninguna lectura se debe a que el transistor se encuentra
en circuito abierto.
6. Recuerde que los transistores tambin poseen un parmetro
llamado hfe, que representa el nivel
de ganancia del transistor, los multmetros traen la opcin de
probar este parmetro, simplemente introduzca el transistor en el
orden correspondiente.
PRACTICA: Polarizacin de un transistor por divisin de tensin.
Material:
Transistor BC547A o equivalente. Resistencias de 10 K y 15 K.
Resistencias de 100 y 470 . F.A. de 4,5 voltios.
Herramientas: Polmetro. Placa de prototipos (Board)
Proceso: 1. Toma el transistor y con ayuda del hmetro comprueba
sus uniones El transistor es PNP o NPN? Cul de sus
terminales es la base? Crees que est en buen estado o por el
contrario es defectuoso? 2. Realiza el circuito de la figura en la
placa Board, prestando especial atencin a la correcta conexin de
los
terminales del transistor. 3. Conecta el circuito a la F.A. y
mide la cada de tensin que existe entre colector y emisor. Est el
transistor bien
polarizado o por el contrario est cerca de la saturacin o del
corte? 4. Mide la corriente de base y la de colector. Cuntas veces
es ms grande la corriente de colector que la de base? 5. Simula el
circuito tambin con el programa Multisim y comprueba los resultados
con la realidad.
Q1
BC547A
R1100
R2470
R310k
R415k
V14.5 V
-
13
INTRODUCCIN A LOS RECTIFICADORES
Rectificar una seal alterna consiste en obtener una tensin
unidireccional de valor medio no nulo. Este valor puede ser
positivo o negativo, segn las necesidades requeridas por el
circuito al que se le aplica la alimentacin.
A continuacin se representa la grfica de una forma de onda de
corriente alterna. Es una onda senoidal pura con un valor
instantneo v(t) y un valor mximo Vmax.
Una onda como la mostrada tiene un valor medio igual a cero en
un ciclo entero, porque el valor de cada semiciclo tiene un valor
igual y opuesto al semiciclo posterior. Si esta seal indicase
diferencia de potencial y la midiramos con un voltmetro de
corriente continua, marcara 0, porque un voltmetro de corriente
continua indica el valor medio.
La rectificacin en media onda consiste sencillamente en eliminar
un semiperodo de la tensin alterna aplicada a la entrada,
obtenindose a la salida del rectificador exclusivamente la mitad de
la seal.
En la rectificacin en doble onda o de onda completa, los dos
semiperodos de la tensin alterna aplicada a la entrada pasan a
tener la misma polaridad.
En algunas aplicaciones se requiere, adems de una tensin
unidireccional, un reducido valor de las ondulaciones. Para
determinar la magnitud de las ondulaciones respecto del valor medio
se utilizan dos coeficientes:
El factor de forma de una magnitud ondulada (es decir, formada
por una componente continua y por otras variables, que llamamos
ondulaciones) es la relacin entre el valor eficaz total de dicha
magnitud ondula y su valor medio.
El grado de ondulacin denominado comnmente factor de rizado de
cualquier magnitud ondulada es la relacin entre el valor eficaz de
la ondulacin exclusivamente y su valor medio.
Para poder materializar la funcin de rectificar, es necesario
utilizar elementos electrnicos que dejen pasar la corriente en un
solo sentido, generando una pequea d.d.p. entre sus extremos,
permaneciendo en estado de bloqueo cuando la tensin aplicada sea de
polaridad contraria.
Rectificador de media onda
En el rectificador de media onda, el diodo conduce durante los
semiciclos positivos pero no durante los semiciclos negativos. A
causa de esto, el circuito recorta los semiciclos negativos. El
componente ms adecuado y ms empleado para rectificar es el diodo
semiconductor.
-
14
Rectificacin en media onda: Dada la caracterstica de conduccin
en un nico sentido de los diodos, se realiza simplemente conectando
un diodo en serie con la resistencia de carga, como se muestra en
el circuito de la figura.
Su funcionamiento es el siguiente:
En el instante en que los valores de tensin alterna senoidal a
la entrada son positivos, y superiores a la tensin de umbral del
diodo, este se polariza directamente y, por tanto, aparece una
corriente elctrica por la carga.
En el instante en que la tensin a la entrada se hace negativa,
el diodo queda polarizado inversamente y la corriente se
interrumpe. Por esta razn, este semiciclo no aparece a la
salida.
Despreciando la tensin en el diodo en polarizacin directa (unos
0,6 V), la tensin de salida tiene la forma:
En realidad la onda de salida es unos 0,6 voltios inferior a la
de la fuente debido a la cada de tensin en el diodo y, en
polarizacin inversa, existe una pequea intensidad de fugas de
algunos A, despreciable para la mayora de aplicaciones.
Valor de continua de la seal de media onda en la
resistencia:
Vmed = Vmax / = VCC
El valor de continua de la seal es el mismo que el valor medio.
Si mide una seal con un voltmetro de continua, la lectura ser igual
al valor medio. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de
montaje completo y las ondas de entrada y salida:
Frecuencia de salida:
fout = fin La frecuencia de salida es la misma que la frecuencia
de entrada, ya que cada ciclo de la tensin de entrada produce un
ciclo de la tensin de salida.
-
15
Rectificador de onda completa
El rectificador de onda completa acta como dos rectificadores de
media onda superpuestos.
La rectificacin en doble onda: Es posible realizarla mediante
dos sistemas distintos: puente rectificador de diodos que lo
estudiaremos en esta pgina y rectificador de doble onda con toma
intermedia, que lo estudiaremos en la pgina siguiente.
El puente rectificador de diodos o puente de Graetz: es un
circuito formado por cuatro diodos, independientes o, encerrados en
un nico componente compacto.
Como se ve en el esquema anterior y en la figura siguiente, los
ctodos de D1 y D3 se conectan a uno de los terminales de la carga,
y los nodos de D4 y D2 al otro terminal. El nodo de D1 se conecta
con el ctodo de D4 y con una de las salidas de la fuente de
alterna. El nodo de D3 con el ctodo de D2 y a la otra salida de la
fuente.
Como resultado, la corriente por la carga rectificada circula
durante ambas mitades de los ciclos.
Su funcionamiento es el siguiente:
Durante el semiperodo positivo D1 y D2 conducen; por el
contrario D3 y D4 permanecen bloqueados, como muestra la
imagen:
Durante el semiperodo negativo conducen D3 y D4 y no conducen D1
y D2, como muestra la imagen:
La tensin en la carga tiene siempre la misma polaridad, ya quela
direccin de la corriente que se establece por la carga es la misma
en los dos casos, como se puede comprobar en ambas figuras. Por
tanto, la forma de onda obtenida es:
Valor medio de la tensin rectificada:
Vmed = 2Vmax / = VCC
Como el puente rectificador produce una salida de onda completa,
el valor medio ahora ser el doble que para un rectificador de media
onda.
-
16
Valor de la frecuencia de salida:
fout = 2fin
Con un rectificador de media onda la frecuencia de salida es
igual a la de entrada. Pero con un rectificador de onda completa
algo inusual le sucede a la frecuencia de salida y es que el valor
es el doble de la frecuencia de entrada, ya que una salida de onda
completa invierte cada semiciclo negativo, as que se obtienen el
doble de semiciclos positivos. El efecto es duplicar la
frecuencia.
Otras formas de representarlo, muy empleada, ya que los
programas informticos y simuladores, en muchos casos, slo permite
dibujar componentes en horizontal y en vertical, es como se muestra
en las figuras:
A continuacin se muestran algunas imgenes comerciales de los
mismos. Destacar que la diferencia entre un puente monofsico y uno
trifsico, externamente, es el nmero de patillas o conexiones (4 el
primero y 5 el segundo)
Rectificador de onda completa. Rectificador de doble onda con
toma intermedia
Rectificador de doble onda con toma media recibe el nombre por
la necesidad de utilizar un transformador de estas caractersticas,
cuyo secundario ha de proporcionar un valor de tensin doble al que
se requiere en la carga.
Slo necesita dos diodos. Los extremos del trafo se conectan al
nodo de sendos diodos, cuyos ctodos se conectan a uno de los
extremos de la carga, conectndose el otro a la toma media del
trafo.
-
17
En este caso el nmero de diodos es la mitad que en el anterior,
sin embargo, la tensin necesaria en el secundario del transformador
es el doble.
Configurado el circuito como se aprecia en la figura siguiente,
se produce la conduccin de cada diodo en semiperiodos consecutivos,
manteniendo, igual que en la configuracin en puente, la misma
polaridad en ambos semiperiodos sobre la carga
Valor medio de la tensin rectificada:
Vmed = 2Vmax / = VCC
Valor de la frecuencia de salida:
fout = 2fin
Los valores, tanto valor medio como frecuencia, coinciden con
los del puente rectificador.
Rectificador trifsico de media onda.
Este tipo de circuito es muy poco utilizado, porque los aparatos
suelen ser bastante exigentes en cuanto a la calidad de la onda, la
cual, deja mucho que desear en este circuito. La onda sale con un
rizado muy pronunciado.
Como se puede observar, el transformador tiene un punto
intermedio que es donde se descarga la carga que alimenta el
rectificador. En cuanto a la relacin entre las distintas tensiones
e intensidades tenemos que:
Vd = 0,6* Vv y Id = 1,7* Iv.
Rectificador trifsico de onda completa.
En el caso que necesitemos un rectificador para mediana o gran
potencia, el circuito de aqu es el ideal, de hecho es el ms
utilizado. La seal sale con menos rizado que en el anterior
circuito y el aprovechamiento del transformador es muchsimo ms
eficaz.
-
18
La seal de salida es muy parecida a la seal de la corriente
continua pura. El rizado viene a ser los huecos existentes entre
las crestas de los semiciclos, que en el caso de este circuito son
bastante pequeos. En cuanto a la relacin entre las distintas
tensiones e intensidades tenemos que:
Vd = 1,3* Vv Id = 1,2* Iv.
Elemento de filtrado
Son circuitos que seleccionan el paso de seales senoidales en
funcin de su frecuencia, permitiendo el paso exclusivo de las
comprendidas en un determinado ancho de banda. Aunque la seal una
vez rectificada ya no es alterna senoidal pura, todava no es una
seal continua con un valor constante a lo largo del tiempo, sino
que su valor cambia. Por eso ser preciso someter a esta seal a un
proceso de filtrado que alise los continuos cambios de amplitud
(ondulaciones) que todava tiene. Un filtro es una red de
componentes que seleccionan el paso de seales en funcin de su
frecuencia. En una fuente de alimentacin se usa un filtro paso bajo
utilizando un condensador de gran capacidad, para eliminar en lo
posible las ondulaciones de frecuencia que quedan despus del
proceso de rectificado, as la seal quedar con una amplitud mucho ms
constante. A la ondulacin resultante del proceso de rectificado se
la denomina rizado, presencia en mayor o menor cantidad es un
sntoma de la calidad de la fuente alimentacin, en concreto de su
etapa de filtrado que es la encargada de atenuarlo al mximo.
La siguiente expresin define el valor eficaz de la tensin de
rizado, que se aproxima a una onda en diente de sierra
Vr = Icc/(4 x 3 x C x f)
Con el objeto de tener una idea de la cantidad de rizado que
presenta una fuente y poder valorar su calidad, se utiliza un
coeficiente que nos permite un fcil anlisis de la cantidad de
rizado que presenta una fuente de alimentacin. Este coeficiente se
denomina factor de rizado o grado de ondulacin (Fr) y es como la
relacin entre el valor eficaz de la tensin de rizado y el valor
medio o componente de continua de la tensin de salida.
Fr = Vr/Vcc
El valor ideal de Fr es cero, pues indicara que no hay rizado y
la seal en la carga es solo continua. Por otro lado, el valor mximo
para el factor de rizado se obtiene cuando la salida es igual a la
tensin de un rectificador sin filtro. En este caso el factor de
rizado se obtiene de la relacin entre la Vr de la componente de
alterna principal (el primer armnico) y de la componente de
continua Vcc, y su valor aproximado es 0,48 para un rectificador de
doble onda.
-
19
Bsicamente los filtros se encuentran formados por condensadores
y bobinas, y se sitan a continuacin del rectificador. El filtro ms
utilizado es colocar en paralelo con la resistencia de carga un
condensador. Este condensador se carga cuando los diodos conducen y
se descarga sobre la resistencia de carga en el intervalo en que
los diodos dejan de conducir. La efectividad de un filtro depender
de la duracin del intervalo en el que los diodos no conduzcan ya
que es cuando tendr que suministrar corriente a la recia de carga.
As, el mismo filtro funcionar mejor en una seal rectificada de
doble onda que en uno de media onda, ya que el intervalo de trabajo
de la primera es menor. Existen en en el mercado fuentes de
alimentacin econmicas que solo llevan las etapas vistas hasta
ahora: transformador + rectificador + filtro, aunque tienen el
problema de un rizado apreciable y una disminucin de tensin de
salida cuando la intensidad por la carga aumenta.
Otro filtro ms eficaz es el filtro en "PI". Estos mejoran la
tensin de salida pero resultan ms caros, voluminosos y pesados por
contener bobinas. Con la aparicin de los circuitos regulados su uso
en pequeas potencias se ha reducido, quedando relegados nicamente a
fuentes de alimentacin de gran potencia.
Elemento regulador
Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de
reducir el rizado y de proporcionar una tensin de salida de valor
exacto al que queramos.
Hasta ahora hemos definido las fuentes de alimentacin bsicas,
pero si necesitamos un menor rizado y una tensin de salida estable
hay que aadir nuevas etapas a continuacin del filtro.
Una de estas etapas es la de estabilizacin, cuya misin es
conseguir un voltaje de salida lo ms estable posible, pues el
voltaje de salida de un rectificador con filtro no es constante y
su valor depende del voltaje de entrada, de la intensidad que sorbe
la carga o de ambos a la vez.
-
20
En la mayora de los circuitos, se utilizan reguladores
integrados sustituyendo a los diodos zner, ya que tienen
prestaciones mucho mejores a las que podemos obtencin FA
estabilizadas con diodos zner. En ocasiones y para determinadas
aplicaciones puede ser suficiente construir una fuente de
alimentacin estabilizada con un diodo zner y una resistencia de
proteccin.
Los reguladores integrados pueden encontrarse con tres o ms
patillas, siendo los ms comunes los de tres patillas y ofrecen unas
caractersticas ms que suficientes para la mayora de las
aplicaciones. Entre estas podemos destacar la limitacin de
corriente, la proteccin contra temperaturas excesivas y una amplia
gama de tensiones e intensidades de salida. Un regulador integrado
consiste bsicamente en un dispositivo que presenta una referencia
de voltaje estable y un amplificador de error de alta ganancia.
Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el
rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla
del 10% el rizado de salida ser del 0.001%, es decir, inapreciable.
Las ideas bsicas de funcionamiento de un regulador de este tipo
son:
La tensin entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo,
no variable, que depender del modelo de regulador que se
utilice.
La corriente que entra o sale por el terminal GND es
prcticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito
de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el
regulador.
La tensin de entrada Vin deber ser siempre unos 2 o 3 V superior
a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento.
EL TIRISTOR
El tiristor es un componente electrnico o semiconductor de
cuatro capas, formado por una estructura de materiales de tipo PNPN
con tres terminales denominados: nodo (A), ctodo (K) y puerta (G),
que no slo puede rectificar una corriente alterna, sino que tambin
puede controlar el paso de sta a travs de l. El tiristor fue
desarrollado por General Electric en los aos 60. 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, en los
laboratorios Bell en 1956. El tiristor o rectificador controlado de
silicio es uno de los componentes ms caractersticos de la
electrnica de potencia. El tiristor o SCR (Silicon Controlled
Rectifier), es un componente que se emplea especialmente en
circuitos rectificadores de corriente alterna. Est constituido por
materiales semiconductores con realimentacin interna para producir
una conmutacin. Su principal aplicacin es la de control de potencia
elctrica. Su forma de trabajo es como la de un diodo convencional,
visto en la unidad cuatro, ya que permite el paso de corriente solo
en un nico sentido de circulacin; sin embargo, se diferencia de
este por el hecho de que su conduccin est regulada por la accin de
uno de los tres electrodos que posee. El tiristor est compuesto por
cuatro capas PNPN, de ah que el equivalente a un tiristor puede ser
la unin de dos transistores bipolares, y tres electrodos: el nodo
(A), el Ctodo (K) y la Puerta (G) que sirve como terminal de
control.
-
21
Sin embargo el tiristor se diferencia del diodo en que no deja
pasar una corriente apreciable, aunque tenga polaridad directa,
hasta que la tensin de nodo sea igual o superior que un valor
llamado tensin de ruptura directa, de disparo o tensin de cebado.
Cuando se alcanza esta tensin, el tiristor se dispara y pasa a
conduccin.
El smbolo caracterstico que identifica a un tiristor es el
siguiente:
Un tiristor no slo puede rectificar una corriente alterna, sino
que tambin puede controlar el paso de sta a travs de l, a travs del
terminal Puerta (G), que controla el paso de corriente a travs del
propio tiristor.
En las siguientes figuras se muestran algunos tipos de
encapsulados e imgenes de tiristores comerciales.
Funcionamiento del tiristor
Suponiendo que entre el nodo y ctodo hay una tensin, VAK, y no
existe circulacin de corriente a travs del tiristor, es decir, no
circula corriente de nodo a ctodo, en estas circunstancias el
transistor, Q1, se encuentra en corte y, por lo tanto, el
transistor, Q2, tambin, por lo que no hay circulacin de corriente
por estar ambos transistores en corte.
La nica causa que haga que se produzca circulacin de corriente
debe provenir del exterior, a travs de la puerta, G, del propio
tiristor. Si a travs del terminal de puerta introducimos un impulso
positivo de tensin elctrica, provocando que Q1 pase a conduccin,
originndose con esto una corriente de base hacia Q1 provocando que
tambin Q1 pase del corte a la conduccin, cuanto ms conduzca Q2 ms
conducir Q1, que producir a su vez ms corriente de base para Q2 y
as sucesivamente, hasta que tanto Q1 como Q2 se encuentren
saturados. Cuando ambos transistores se encuentren saturados,
existir una corriente de circulacin desde nodo hacia ctodo, solo
limitada por la carga externa, sobre la que se quiere regular su
potencia mediante el tiristor.
-
22
De lo anterior deducimos que ser el terminal de puerta, G, por
donde se dispare el tiristor, mediante un impulso elctrico. Cuando
el tiristor se ha disparado ya no es necesario introducir ningn
tipo de impulso por el terminal de puerta para que dicho tiristor
siga disparado o en conduccin. Para conseguir el bloqueo o no
conduccin del tiristor, la tensin entre nodo y ctodo debe ser
negativa, es decir, que el ctodo sea ms positivo que el nodo o la
tensin VAK, caiga por debajo de un cierto nivel (denominado nivel
de mantenimiento), en estas circunstancias, ambos transistores
volvern a estar en corte y, por lo tanto, una nueva conduccin de
dicho tiristor se conseguir introduciendo un nuevo disparo en la
puerta, G. En la actualidad se fabrican tiristores de diversas
capacidades de corriente y, en consecuencia, con encapsulados de
diferentes tamaos. As pues, los tiristores de baja corriente
soportan corrientes de nodo menores de un amperio, y presentan el
aspecto de un transistor con tres terminales. Los tiristores de
alta corriente soportan corrientes del orden de centenares de
amperios, y se pueden montar sobre disipadores de calor.
Funcionamiento como regulador
El funcionamiento de los tiristores es principalmente en
corriente alterna, aunque su uso se puede extender tambin a la
corriente continua. Un ejemplo de conexin de un tiristor con una
determinada carga es el mostrado en la siguiente figura:
Como se puede ver, la carga se encuentra en serie con el
tiristor, luego la intensidad que circula a travs de ste se
encontrar limitada por la propia resistencia de carga.
Como la tensin de alimentacin es alterna, cuando el tiristor
conduzca slo dejar pasar corriente en aquellos semiciclos positivos
de tensin, los cuales hacen que el nodo del tiristor sea ms
positivo que su ctodo. Por el contrario, el tiristor se encontrar
bloqueado en los semiciclos negativos de la tensin alterna de
entrada, no permitiendo, en este caso, paso alguno de
corriente.
La regulacin bsicamente radica en disparar el tiristor,
introduciendo un impulso de entrada en el terminal de puerta, en el
momento adecuado. Si el impulso de puerta se aplica al inicio del
semiperiodo positivo, el tiristor conducir durante todo el
semiperiodo.
-
23
Una vez disparado el tiristor y pasar a la conduccin, no ser
necesario mantener el impulso en el terminal de puerta para que ste
siga activado o disparado, se aplica el impulso durante un corto
periodo de tiempo y el tiristor conducir durante el tiempo que dure
dicho semiperiodo positivo, pasando al bloqueo en el mismo momento
en el que se inicia el semiperiodo negativo.
Si ahora se aplica un impulso en el terminal de puerta pasado un
determinado tiempo correspondiente, por ejemplo, despus de haberse
iniciado el semiperiodo positivo, el tiristor solo conducir o
permanecer activo durante el resto de dicho semiperiodo.
Con lo que deducimos que variando el ngulo de fase en el que se
dispara el tiristor, se podr variar la potencia entregada a la
carga en un margen que variar desde 0% al 50% de la potencia total,
hay que recordar que la mxima potencia entregada a la carga ser del
50%, puesto que el tiristor solo dejar pasar los semiperiodos
positivos, encontrndose bloqueado durante los semiperiodos
negativos.
Estados de un tiristor
Estado de bloqueo.
Si la tensin en bornes del tiristor es negativa (VAK< 0), la
corriente es prcticamente nula para cualquier valor de la tensin de
polarizacin inversa que no supere la tensin inversa de ruptura
(VBOR) (BreakOver Reverse), en la que se produce la destruccin del
componente por avalancha. El tiristor no conduce, se comporta como
un interruptor abierto. Se encuentra en estado de "bloqueo
inverso".
Si la tensin en bornes del tiristor es positiva (VAK > 0) y
no existe ninguna seal aplicada a la puerta el tiristor, sigue
estando en bloqueo mientras la tensin en bornes del tiristor no sea
igual a la tensin directa de ruptura (VBO) (BreakOver). Hasta dicho
valor, el tiristor sigue comportndose como un circuito abierto. Se
encuentra en estado de "bloqueo directo".
Estado de conduccin.
Si no existe ninguna seal aplicada a la puerta y la tensin en
bornes del tiristor es igual al valor de ruptura directa, la
corriente a travs del dispositivo crece de forma brusca, y se
establece la conduccin. (Trazo rojo de la figura). No se aconseja
esta forma de establecer la conduccin, ya que el elemento no ha
sido diseado para soportar dicha corriente y puede destruirse.
Si con polarizacin directa (VAK> 0) se introduce por el
terminal de puerta una corriente de disparo IG, se produce una
corriente de elevado valor que cebar el tiristor. (Trazo verde). El
tiristor conduce y la cada de potencial entre sus bornes es muy
pequea VT, tpicamente del orden de 1 V, comportndose idealmente
como un cortocircuito. Cuanto menor sea la tensin aplicada en
bornes del tiristor, mayor deber ser la corriente aplicada a la
puerta para cebar al componente.
Una vez que un tiristor est en modo de conduccin, el circuito de
la puerta no tiene ningn control y el tiristor contina conduciendo.
En estas condiciones, si se desea volver el tiristor al estado de
bloqueo, ser necesario disminuir la corriente de nodo por debajo de
un valor de mantenimiento. En el caso en que se haga desaparecer la
corriente de puerta, la corriente de nodo necesaria para desactivar
el tiristor bastar con que sea inferior a un valor llamado
corriente de enganche. (La corriente de enganche es superior a la
corriente de mantenimiento.)
Como la puerta no puede ordenar la interrupcin de la corriente
establecida, deber interrumpirse por otros medios:
En corriente continua debe incluirse el elemento que haga cesar
la corriente
En corriente alterna sta se interrumpe por s misma cuando se
hace cero en el paso de un semiciclo al siguiente
-
24
En resumen:
Al aumentar la tensin aplicada entre nodo y ctodo (VAK) apenas
conduce hasta que se supera la tensin de ruptura (Vd). Entonces se
comporta como un interruptor cerrado aumentando rpidamente la
corriente.
La curva est realizada para una intensidad de puerta nula (trazo
rojo). Si se activa la corriente de disparo en la puerta (trazo
verde), el SCR pasa directamente a la conduccin sin necesidad de
llegar a la tensin de ruptura. As, los terminales nodo y ctodo se
comportan como un circuito abierto hasta que se de un impulso a la
puerta, en ese momento pasan a comportarse como un interruptor
cerrado dejando pasar la corriente.
1. Bloqueo
Inverso: VAK 0, IG = 0
VAK = VBO (Desaconsejable)
A continuacin se muestran algunos de los tipos de encapsulados e
imgenes comerciales de los tiristores.
Curva caracterstica
La curva caracterstica de un tiristor representa la relacin
existente entre la intensidad IA en funcin de la tensin VAK
-
25
La curva caracterstica del tiristor nos dice que cuando la
tensin entre nodo y ctodo (VAK) es cero la intensidad de nodo
tambin lo es. En el primer cuadrante observamos que hasta que no se
alcance la tensin de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara, pero
cuando se alcanza dicha tensin, se percibe un aumento de la
intensidad en el nodo (IA), adems de disminuir la tensin entre nodo
y ctodo (VAK), comportndose as como un diodo polarizado
directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a
la tensin de bloqueo ser necesario aumentar la intensidad de puerta
(IG1, IG2), ya que de esta forma se modifica la tensin de cebado de
este. Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza
directamente, es decir, en el primer cuadrante de la curva. Cuando
se polariza inversamente se observa una dbil corriente inversa o
corriente de fuga hasta que alcanza el punto de tensin inversa
mxima que provoca la ruptura del mismo. Las conclusiones que se
derivan son:
Cuando la tensin VAK = 0, la intensidad IA = 0.
Al aumentar la tensin VAK en sentido directo, comprobamos que VD
alcanza un valor mnimo, producindose el cebado.
Cuando el tiristor se hace conductor y cae la tensin VAK,
aumenta la intensidad de nodo IA.
Si se polariza de forma inversa el tiristor, puede comprobarse
cmo aparece una pequea corriente inversa de fuga hasta que se
alcanza la mxima tensin inversa que provoca la destruccin del
tiristor.
Deducimos tambin que el tiristor es conductor solo en el primer
cuadrante, donde el disparo ha sido provocado por aumento de la
tensin directa VAK
La tensin de disparo, VD ser tanto menor cuanto mayor sea la
intensidad de puerta.
Caractersticas de los tiristores
Sus principales caractersticas son:
Soportar tensiones e intensidades elevadas.
Es capaz de controlar grandes potencias.
Puede considerarse como un interruptor casi ideal.
Es apto para aplicaciones en electrnica de potencia.
Se puede controlar de forma sencilla.
A su vez, las caractersticas pueden ser estticas y de
control.
Caractersticas estticas: corresponden a la regin nodo-ctodo y
son los valores mximos que el tiristor puede tomar. Estas
caractersticas las suministra el fabricante. El tiristor no deben
trabajar con valores superiores a los descreitos por el fabricante,
siendo las ms importantes:
Tensin inversa de pico de trabajo, VRWM
Tensin directa de pico repetitiva, VDRM
Tensin directa, VT
Corriente directa media, ITAV
Corriente directa eficaz, ITRMS
Corriente directa de fugas, IDRM
Corriente inversa de fugas, IRRM
Corriente de mantenimiento, IH
-
26
Caractersticas de control o de mando: corresponden a la regin
puerta-ctodo y determinan las propiedades del circuito de mando que
responde mejor a las condiciones de disparo. Las ms importantes
son:
Tensin directa mx, VGFM
Tensin inversa mx., VGRM
Corriente mxima, IGM
Potencia mxima, PGM
Potencia media, PGAV
Tensin puerta-ctodo para el encendido, VGT
Tensin residual mxima que no enciende ningn elemento, VGNT
Corriente de puerta para el encendido, IGT
Corriente residual mxima que no enciende ningn elemento,
IGNT
Siendo las ms importantes:
VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del
dispositivo semiconductor.
VGNT e IGNT, que dan los valores mximos de corriente y de
tensin, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los
tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.
Caractersticas dinmicas: Son las que definen al tiristor cuando
se encuentran trabajando en un determinado circuito.
Tensiones transitorias: son breves y de gran amplitud. La tensin
inversa de pico no repetitiva, VRSM debe estar dentro de esos
valores.
Impulsos de corriente: para cada tiristor se publican curvas que
dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una
corriente de pico dada. A mayor valor del impuso de corriente,
menor es la cantidad de ciclos y el tiempo mximo de cada impulso
est limitado por la temperatura media de la unin.
ngulos de conduccin: En un tiristor, la corriente y tensin media
dependen del ngulo de conduccin, por lo que:
A mayor ngulo de conduccin, se obtiene a la salida mayor
potencia.
Un mayor ngulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor
ngulo de conduccin. Por lo que: ngulo de conduccin = 180 - ngulo de
disparo
Conociendo la variacin de la potencia disipada en funcin de los
diferentes ngulos de conduccin podremos calcular las protecciones
necesarias.
-
27
Disparo o activacin de tiristores
El funcionamiento de un tiristor emula a un rel. En el estado de
conduccin, la impedancia es muy baja y permite circular grandes de
niveles de corriente con una tensin nodo-ctodo del orden de 1V. En
estado de corte, la corriente es prcticamente nula y se comporta
como un circuito abierto.
Activacin o disparo por puerta.
Es el mtodo ms comn para disparar un tiristor y consiste en
aplicar una corriente en su puerta. Los niveles de tensin y
corriente de disparo en la puerta deben estar dentro de unos
valores de seguridad, zona de disparo de seguridad. Si se sobrepasa
ese lmite puede no dispararse el tiristor o puede deteriorarse el
dispositivo.
Adems, el disparo debe tener una duracin que depende del
tiristor, los valores aproximados son del orden de 1seg para que
resulte eficaz. El tiempo de conexin o de activacin es el tiempo
que tarda en conducir el tiristor desde que se ha producido el
disparo. Los valores tpicos de tiristores comerciales estn
alrededor de 1 a 3seg.
Activacin o disparo por luz.
Un haz luminoso dirigido hacia una de las uniones del tiristor
provoca su disparo. Los tiristores disparados por luz se llaman
LASCR y sus derivados (foto-TRIAC, opto-TRIAC, etc).
Activacin por tensin de ruptura.
Una aumento de la tensin nodo-ctodo puede provocar fenmenos de
ruptura que activa el tiristor. Esta tensin de ruptura directa
(VBO) solamente se utiliza como mtodo para disparar los diodos de
cuatro capas.
Disparo por aumento de dv/dt.
Un rpido aumento de la tensin directa de nodo ctodo puede
producir una corriente transitoria de puerta que active el
tiristor. Generalmente se elimina este problema utilizando
circuitos de proteccin basados en R, C o L. El valor de los
disparos deben estar comprendidos entre 5V/seg a 500V/seg.
-
28
Bloqueo de un tiristor
El bloqueo de un tiristor es el proceso de poner en estado de
corte al tiristor. Puede realizarse de tres formas: conmutacin
natural, polarizacin inversa o conmutacin por puerta.
Conmutacin natural.
Cuando la corriente del nodo se reduce por debajo de un valor
mnimo, llamado corriente de mantenimiento, el tiristor se corta.
Sin embargo, hay que sealar que la corriente nominal de un tiristor
es del orden de 100 veces la corriente de mantenimiento. Para
reducir esa corriente es preciso abrir la lnea, aumentando la
impedancia de carga o derivando parte de la corriente de carga a un
circuito paralelo, es decir, cortocircuitando el dispositivo.
Corte por polarizacin inversa.
Una tensin inversa nodo-ctodo tender a interrumpir la corriente
del nodo. La tensin se invierte en un semiperiodo de un circuito de
alterna, por lo que un tiristor conectado a la lnea tendr una
tensin inversa en un semiperiodo y se cortar. Esto se llama
conmutacin por fase o conmutacin de lnea alterna.
Corte por puerta.
Algunos tiristores especialmente diseados, como los GTO, se
bloquean con una corriente de puerta negativa. El tiempo de
conmutacin en corte es el tiempo que tarda en bloquearse un
tiristor. Con conmutacin natural su valor est comprendido entre 1 a
10seg, mientras que conmutacin forzada puede ser de 0.7 a 2seg. Sin
embargo, existen gran variedad de tiristores diseados para tener
tiempos de conmutacin muy bajos.
Aplicaciones de los tiristores.
Las aplicaciones ms importantes de los tiristores son:
Rectificacin de corriente o carga de bateras o soldaduras o
regulacin de fuentes de alimentacin
Control de velocidad de motores o mquinas herramientas
Sustitucin de dispositivos electromecnicos. Interruptor o rels o
protectores de sobre carga o graduadores de iluminacin o sistema de
encendido de motores de explosin o control de temperatura con
termopares
Regulador, ya que permite ajustar el momento preciso de cebado
por lo que controlamos la la potencia o la corriente media de
salida.
Amplificador: puesto que la corriente de mando puede ser muy
dbil en comparacin con la corriente principal, se produce un efecto
de amplificacin en corriente o potencia. En ciertas aplicaciones
esta ganancia puede ser de utilidad.
Un ejemplo de aplicacin del tiristor como regulador sera: La
luminosidad de las lmparas de incandescencia, se puede controlar,
controlando el ngulo de disparo de tensin, a travs de un tiristor,
en los bornes de dichas lmparas.
-
29
El diodo D1 hace de rectificador de onda, de modo que el
condensador C1, se carga a travs de la resistencia R1 en cada
semiperodo positivo de la tensin de red. Mediante el potencimetro
R2 hacemos que la tensin de puerta sea mayor o menor en funcin de
dnde est situado su cursor. Si el cursor est cercano al terminal
superior del potencimetro, la tensin de puerta en cada semiperodo
positivo ser mayor y, por lo tanto, el tiristor comenzar antes a
conducir, ngulo ms pequeo. Sin embargo, si el cursor est ms prximo
al terminal inferior del potencimetro, el tiristor retrasar su
conduccin o, incluso, podra no entrar en conduccin. El resultado de
ello es que el tiristor se activa antes o despus en funcin de la
posicin del cursor del potencimetro, de forma que las bombillas se
encendern ms o menos. El diodo D2 hace que la corriente de puerta
sea siempre de entrada al tiristor, ya que, de lo contrario,
ocasionara la destruccin del componente. El mayor inconveniente de
este circuito es el hecho de que el semiperodo negativo de la
tensin de red es eliminado, por lo que las bombillas no trabajan
nunca al mximo de su potencia. Tambin se producen interferencias en
la red elctrica producida por el troceado de la tensin aplicada a
la carga, lo que perjudica bastante el factor de potencia (cos ) de
la instalacin elctrica donde estn instalados. El nmero de bombillas
que pueden ser controladas por el tiristor depende de la corriente
nodo-ctodo, IAK, mxima que pueda soportar. Por lo que si el valor
de la carga a alimentar es grande, el tiristor debe estar
perfectamente dimensionado para poder soportar dicha corriente.