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INFORME FAMILIAS DE TIRISTORES
Angie Caterin Coy Rodríguez
Grupo 177080 MELI – ART
[email protected]
RESUMEN:
Los Tiristores son semiconductores construidos
con cuatro o más capas de material
semiconductor y tres o más junturas pn, y
dependiendo de la potencia, intensidades y
tensiones máximas que se requieran en
determinado circuito, se puede implementar
alguno de los tipos de Tiristores.
OBJETIVOS:
•
Identificar los diferentes tipos de
Tiristores, así como sus características y
utilidades.
•
Aprender la simbología utilizada en cada
uno de los tipos de Tiristores.
•
Diferenciar las partes de cada tipo de
Tiristor y sus funciones.
TRIAC
(Triode for Alternative Current) 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
inversión de la tensión o al disminuir la corriente
por debajo del valor de mantenimiento.
El TRIAC puede ser disparado mediante una
corriente de puerta positiva o negativa.
CONTENIDO:
DIAC
(Diode Alternative Current) es un dispositivo
bidireccional simétrico con dos electrodos
principales: MT1 y MT2, y ninguno de control. Es
un componente electrónico que está preparado
para conducir en los dos sentidos de sus
terminales, por ello se le denomina bidireccional,
siempre que se llegue a su tensión de disparo.
En la curva característica tensión-corriente se
observa que:
- V(+ ó -) < Vb0 , el elemento se comporta como un
circuito abierto.
- V(+ ó -) > Vb0 , el elemento se comporta como un
cortocircuito.
Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos
supera la tensión de disparo Vb0; la intensidad que
circula por el componente es muy pequeña. Al
superar dicha tensión la corriente aumenta
bruscamente.
Se emplea normalmente en circuitos que realizan
un control de fase de la corriente del triac, de
forma que solo se aplica tensión a la carga
durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos
sistemas se utilizan para el control de iluminación
con intensidad variable, calefacción eléctrica con
regulación de temperatura y algunos controles de
velocidad de motores.
La forma más simple de utilizar estos controles es
empleando el siguiente circuito:
Los TRIAC son fabricados para funcionar a
frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a
frecuencias medias son llamados alternistores.
El TRIAC actúa como dos rectificadores
controlados de silicio (SCR) en paralelo.
La diferencia más importante que se encuentra
entre el funcionamiento de un triac y el de dos
tiristores es que en este último caso cada uno de
los dispositivos conducirá durante medio ciclo si
se le dispara adecuadamente, bloqueándose
cuando la corriente cambia de polaridad, dando
como resultado una conducción completa de la
corriente alterna.
El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el
breve instante en que la corriente de carga pasa
por el valor cero, hasta que se alcanza el valor
mínimo de tensión entre T2 y T1, para volver de
nuevo a conducir, suponiendo que la excitación de
la puerta sea la adecuada. Esto implica la perdida
de un pequeño ángulo de conducción.
La tensión Vb0 es aquella en el cual el dispositivo
pasa de una resistencia alta a una resistencia baja
y la corriente, a través del TRIAC, crece con un
pequeño cambio en la tensión entre los ánodos.
El TRIAC permanece en estado ON hasta que la
corriente disminuye por debajo de la corriente de
mantenimiento Ih.
El triac puede ser disparado en cualquiera de los
dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre
los terminales de compuerta G y MT1 de un
impulso positivo o negativo.
La versatibilidad del TRIAC y la simplicidad de su
uso le hace ideal para una amplia variedad de
aplicaciones relacionadas con el control de
corrientes alternas. Una de ellas es su utilización
como interruptor estático, con lo que se evitan los
arcos y sobre tensiones derivadas de la
conmutación de cargas inductivas que almacenan
una
determinada
energía
durante
su
funcionamiento.
SCR
(Silicon Controlled Rectifier), es un dispositivo
semiconductor biestable formado
por
tres
uniones pn con la disposición pnpn.
Está
formado
por
tres
terminales,
llamados Ánodo, Cátodo y Puerta.
La conducción entre ánodo y cátodo es controlada
por el terminal de puerta. Es un elemento
unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador
y amplificador a la vez.
Cuando la tensión Vak es nula, también lo es la
intensidad de corriente Ia. Al aumentar dicha
tensión en sentido directo, con corriente de puerta
nula, si se supera la tensión Vb0, la transición de
estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se
desea que el paso al estado ON se realice para
tensiones Vak inferiores a Vb0, será necesario dotar
al dispositivo de la corriente de puerta (I g)
adecuada para que dicha transición se realice
cuando la intensidad de ánodo supere la
intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el
dispositivo esta en conducción, la transición al
estado OFF se produce cuando la corriente de
ánodo caiga por debajo de la intensidad de
corriente de mantenimiento (Ih).
Tanto para el estado de bloqueo directo, como
para el estado de polarización inversa, existen
unas pequeñas corrientes de fugas.
El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo
en el primer cuadrante, en el cual el disparo se
provoca por:
- tensión
suficientemente
elevada aplicada
entre ánodo y cátodo,
- intensidad en la puerta. Se puede controlar así
la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la
transición OFF Þ ON, usando la corriente de
puerta adecuada.
Caracterìsticas
•
Interruptor casi ideal.
•
Soporta tensiones altas.
•
Amplificador eficaz.
•
Es capaz de controlar grandes potencias.
•
Fácil controlabilidad.
•
Relativa rapidez.
•
Características en función de situaciones
pasadas (memoria).
•
Tensión inversa de pico de trabajo: VRWM
•
Tensión directa de pico repetitiva: VDRM
•
Tensión directa: VT
•
Corriente directa media: ITAV
•
Corriente directa eficaz: ITRMS
•
Corriente directa de fugas: IDRM
•
Corriente inversa de fugas: IRRM
•
Corriente de mantenimiento: IH
•
Temperatura de la unión: Tj
•
Temperatura de almacenamiento: Tstg
•
Resistencia térmica contenedor-disipador: Rcd
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Resistencia térmica unión-contenedor: Rj-c
Resistencia térmica unión-ambiente: Rj-a
Impedancia térmica unión-contenedor: Zj-c
Tensión directa máx: VGFM
Tensión inversa máx: VGRM
Corriente máxima: IGM
Potencia máxima: PGM
Potencia media: PGAV
Tensión puerta-cátodo para el encendido: VGT
Tensión residual máxima que no enciende
ningún elemento: VGNT
•
Corriente de puerta para el encendido: IGT
•
Corriente residual máxima que no enciende
ningún elemento: IGNT
• Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de
la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión 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.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado
por la temperatura media de la unión.
• Ángulos de conducción:
- La corriente y tensión media de un SCR
dependen del ángulo de conducción.
- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la
salida mayor potencia.
- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se
corresponde con un menor ángulo de conducción:
ángulo de conducción = 180º - ángulo de
disparo
- Conociendo la variación de la potencia disipada
en función de los diferentes ángulos de
conducción podremos calcular las protecciones
necesarias.
Tiempo de encendido (Ton): Es el tiempo que tarda
el tiristor en pasar de corte a conducción:
• Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre
desde que la corriente de puerta alcanza el 50 %
de su valor final hasta que la corriente de ánodo
alcanza el 10 % de su valor máximo. Depende de
la corriente de mando, de la tensión ánodo cátodo y de la temperatura (td disminuye si estas
magnitudes aumentan).
• Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que
la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 % de su
valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en
el tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.
Tiempo de apagado (Toff): Es el tiempo que tarda
el tiristor en pasar de conducción a corte:
• Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el
que las cargas acumuladas en la conducción del
SCR, por polarización inversa de este, se eliminan
parcialmente.
• Tiempo de recuperación de puerta (t gr): tiempo
en el que, en un número suficiente bajo, las
restantes cargas acumuladas se recombinan por
difusión, permitiendo que la puerta recupere su
capacidad de gobierno.
La extinción del tiristor se producirá por dos
motivos: reducción de la corriente de ánodo por
debajo de la corriente de mantenimiento y por
anulación de la corriente de ánodo.
Dependiendo de las condiciones de trabajo de un
tiristor, éste disipa una cantidad de energía que
produce un aumento de la temperatura en las
uniones del semiconductor. Este aumento de la
temperatura provoca un aumento de la corriente
de fugas, que a su vez provoca un aumento de la
temperatura,
creando
un
fenómeno
de
acumulación de calor que debe ser evitado. Para
ello se colocan disipadores de calor.
Para que se produzca el cebado de un tiristor, la
unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en
directo y la señal de mando debe permanecer un
tiempo suficientemente larga como para permitir
que el tiristor alcance un valor de corriente de
ánodo mayor que IL, corriente necesaria para
permitir que el SCR comience a conducir. Para
que, una vez disparado, se mantenga en la zona
de conducción deberá circular una corriente
mínima de valor IH, marcando el paso del estado
de conducción al estado de bloqueo directo.
Los distintos métodos de disparo de los tiristores
son:
- Por puerta.
- Por módulo de tensión.
- Por gradiente de tensión (dV/dt)
- Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura.
- El valor requerido de VT necesario para
disparar el SCR es:
VT = VG + IG × R
- R viene dada por:
R = VFG / IFG
Para el control en el disparo se requieren las
siguientes características:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con
respecto al cátodo.
- En el momento del disparo Iak > IL.
Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión Vak.
- Incrementamos RL hasta que Iak< IH.
Limitaciones:
- La frecuencia de trabajo en los SCR no puede
superar ciertos valores.
- El límite es atribuible a la duración del proceso
de apertura y cierre del dispositivo.
- La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.
Entenderemos por extinción, el proceso mediante
el cual, obligaremos al tiristor que estaba en
conducción a pasar a corte. En el momento en
que un tiristor empieza a conducir, perdemos
completamente el control sobre el mismo.
El tiristor debe presentar en el tiempo ciertas
condiciones para pasar de nuevo a corte. Este
estado implica simultáneamente dos cosas:
1. La corriente que circula por el dispositivo
debe quedar completamente bloqueada.
2. La aplicación de una tensión positiva entre
ánodo y cátodo no debe provocar un disparo
indeseado del tiristor.
Existen diversas formas de conmutar un tiristor,
sin embargo podemos agruparlos en dos grandes
grupos:
•
Conmutación natural:
a) Libre.
b) Asistida.
•
Conmutación forzada.
a) Por contacto mecánico.
b) Por circuito resonante.
-Serie
-Paralelo
c) Por carga de condensador.
d) Por tiristor auxiliar.
Las aplicaciones de los tiristores se extiende
desde la rectificación de corrientes alternas, en
lugar de los diodos convencionales hasta la
realización de determinadas conmutaciones de
baja potencia en circuitos electrónicos, pasando
por los onduladores o inversores que transforman
la corriente continua en alterna.
La principal ventaja que presentan frente a los
diodos cuando se les utiliza como rectificadores es
que su entrada en conducción estará controlada
por la señal de puerta. De esta forma se podrá
variar la tensión continua de salida si se hace
variar el momento del disparo ya que se obtendrán
diferentes ángulos de conducción del ciclo de la
tensión o corriente alterna de entrada.
Además el tiristor se bloqueará automáticamente
al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya
que en este momento empezará a recibir tensión
inversa.
Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una
gran variedad de aplicaciones, entre ellas están
las siguientes:
· Controles de relevador.
· Circuitos de retardo de tiempo.
· Fuentes de alimentación reguladas.
· Interruptores estáticos.
· Controles de motores.
· Recortadores.
· Inversores.
· Ciclo conversores.
· Cargadores de baterías.
· Circuitos de protección.
· Controles de calefacción.
· Controles de fase.
DIODO SHOCKLEY
El diodo Shockley es un tiristor con dos
terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por
cuatro capas semiconductoras que forman una
estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está
abierto hasta que la tensión directa aplicada
alcanza un cierto valor, entonces se cierra y
permite la conducción. La conducción continúa
hasta que la corriente se reduce por debajo de un
valor específico (IH).
Para valores negativos del voltaje aplicado, como
en un diodo, sólo habrá una corriente muy
pequeña hasta que se alcance la tensión de
ruptura (VRB).
En polarización positiva, se impide el paso de
corriente hasta que se alcanza un valor de
tensión VB0. Una vez alcanzado este punto, el
diodo entra en conducción, su tensión disminuye
hasta menos de un voltio y la corriente que pasa
es limitada, en la práctica, por los componentes
externos. La conducción continuará hasta que de
algún modo la corriente se reduzca por debajo de
la corriente de mantenimiento IH.
La corriente que puede atravesar el dispositivo en
polarización directa tiene un límite impuesto por el
propio componente (IMAX), que si se supera llevará
a la destrucción del mismo. Por esta razón, será
necesario diseñar el circuito en el que se instale
este componente de tal modo que no se supere
este valor de corriente. Otro parámetro que al
superarse puede provocar la ruptura del
dispositivo es VRB, ya que provocaría un fenómeno
de avalancha similar al de un diodo convencional.
Se puede aplicar como detector de sobretensión.
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
señal en el terminal de gate.
Igual que el SCR, no permitirá 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 ó 20 veces mayor
que el pulso positivo aplicado para entrar en
conducción.
Los GCS están diseñados para cargas
relativamente pequeñas y pueden soportar sólo
unas pocas decenas de amperios.
SCS
(Silicon Controlled Switch) Es similar en cuanto a
construcción al SCR. La diferencia está en que
posee dos terminales de puerta, uno para entrar
en conducción y otro para corte. El SCS se suele
utilizar en rangos de potencia menores que el
SCR.
El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de
SCR. Este último tiene la ventaja de poder abrirse
más rápido mediante pulsos en cada uno de los
terminales de gate, pero el inconveniente que
presenta respecto al SCR es que se encuentra
más limitado en cuanto a valores de tensión y
corriente. También se utiliza en aplicaciones
digitales
como
contadores
y
circuitos
temporizadores.
CONCLUSIONES

Los Tiristores están constituidos por dos o
más capas de uniones pn.

Los Tiristores SCR, son la familia más
empleada por sus diferentes aplicaciones,
además de su efectividad y precisión.

Para la implementación de cualquier familia
de Tiristores se debe tener muy presentes las
tensiones e intensidades de alimentación,
para su óptimo funcionamiento.