Diodos Semiconductores

 

Objetivo:

Conocer y analizar cada componente de control industrial la definición o descripción el funcionamiento y las diversas características que componen a cada dispositivo. Diodos Semiconductores Contenido:       

Diodo Semiconductor Clasificación. Diodos Rectificadores. Características. Diodos de Señal. Resumen de funcionamiento. Diodos de Conmutación. Resumen de funcionamiento Diodos de alta Frecuencia.Resumen de funcionamiento. Diodos Zener. Resumen de funcionamiento.

Diodo Semiconductor El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N) El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta. Esta interesante propiedad puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación. En efecto. si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando  bloqueado en las ascendencias negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo. La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante, que es el que se emplea actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío algunas ventajas fundamentales: Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos. - La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. - Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías.

- Pueden ser utilizados en equipos que manejen grandes corrientes, aplicación que con diodos de vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran tamaño de éstos. Existen diodos semiconductores de muy  pequeño tamaño para aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas, tales como la

 

demodulación en receptores de radio. Estos suelen estar encapsulados. en una caja cilíndrica de vidrio con los terminales en los extremos, aunque también se utiliza para ellos el encapsulado con plástico. Clasificación Dentro del amplio conjunto de modelos y tipos diferentes de diodos semiconductores que actualmente existe en el mercado, se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados dos en varias familias, teniendo en cuenta aquellas características más destacadas y que, de hecho, son las que determinan sus aplicaciones. De esta forma se pueden encontrar las siguientes: - Diodos rectificadores de toda la gama de potencias, con encapsulado individual o en puente. - Diodos de señal de use general. - Diodos de conmutación. - Diodos de alta frecuencia. - Diodos estabilizadores de tensión. - Diodos especiales. Diodos rectificadores El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altos deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de color, por medio de un sistema de sujeción a tornillo. Cualquier sistema rectificador de corrientes, tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos según una forma de conexión denominada en puente. No obstante, también se utiliza otro sistema con dos diodos, como alternativa del puente en algunos circuitos de alimentación monofásicos.

Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador. Características Cualquier diodo rectificador está caracterizado por los siguientes factores: - Corriente directa máxima (If). Tensión directa (Vd), para una corriente If determinada. - Tensión inversa máxima de pico de trabajo (VRWM). - Tensión inversa máxima de pico repetitiva (VRRM). - Corriente máxima de pico (Ifsm). - Corriente inversa máxima de pico (IRM), medida a VRRM. - Potencia total (P/tot). Estas características deberán ser tenidas en cuenta en el momento de la elección del modelo más adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores límites, ya que ello acortaría excesivamente la duración del componente. Diodos de señal Los diodos de señal de use general se emplean en funciones de tratamiento de la señal, dentro de un circuito o  bien para realizar operaciones de tipo digital formando parte de «puertas» lógicas y circuitos equivalentes, Son de baja potencia. Las características de estos diodos son: - Tensión inversa (Vr), hasta 75 V como máximo. - Corriente directa (If), 100 mA. - Potencia máxima (P/tot), 200 milivatios (mW) El encapsulado es en forma de un cilindro miniatura, de plástico o vidrio, estando los dos terminales de conexión situados en los extremos. Sobre el cuerpo deberá estar marcado el hilo de conexión que corresponde al cátodo, mediante un anillo situado en las proximidades de éste.

 

Diodos de conmutación Los diodos de conmutación o rápidos se caracterizan por ser capaces de trabajar con señales de tipo digital o que presenten unos tiempos de subida y bajada de sus flancos muy breves. El factor o parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un condensador), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos. Diodos de alta frecuencia Los diodos de alta frecuencia se emplean en aquellas partes de un circuito que deben de funcionar con frecuencias superiores a 1 megahertz (1 millón de ciclos por segundo). Se caracterizan por presentar una baja capacidad de difusión (Cd) entre las dos zonas semiconductoras que forman la unión P-N, cuando éstas están polarizadas en sentido directo. Diodos zener Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su nombre indica, para producir una tensión entre sus extremos constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente por encima de un determinado nivel.

Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una intensidad debilísima. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de tensiones zener normalizadas y por la potencia que son capaces de disipar, desde 250 mili vatios hasta decenas de vatios, con encapsulado plástico o metálico. Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son: - Tensión zener (Vz). - Corriente minima para alcanzar la Vz (Iz). - Potencia máxima (P/tot). Diodos especiales Dentro del grupo de diodos especiales están comprendidos los diodos varicap, diodos túnel y diodos Led Los primeros se construyen buscando acentuar al máximo la propiedad que presente la unión P-N de comportarse de una forma análoga a un condensador, cuando se la polariza inversamente. La capacidad resultante es, además, variable con la tensión aplicada; lo cual permite disponer de una forma muy simple de condensadores  variables, controlados por una diferencia de potencial. Su empleo está muy generalizado en etapas de sintonía de receptores de radio y TV.

Rectificador Controlado De Silicio

 

Introducción Los rectificadores controlados de silicio SCR se emplea como dispositivo de  de control control.. El rectificador controlado de silicio SCR, es un semiconductor que presenta dos  dos  estados estados  estables: en uno conduce, y en otro está en corte (bloqueo directo, bloqueo inverso y conducción directa). El objetivo objetivodel del rectificador controlado de silicio SCR es retardar la entrada en conducción del mismo, ya que como se sabe, un rectificador controlado de silicio SCR se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus  bornes se hace positiva (tensión de ánodo mayor que tensión de cátodo), sino cuando siendo esta tensión positiva, se envía un impulso de cebado a puerta. El parámetro principal de los rectificadores controlados es el ángulo de retardo, a. Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es mas positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR no puede estar encendido más de la mitad del tiempo tiempo.. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarizaci6n inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga. Rectificador controlado de silicio 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 (sentido de la corriente es único), conmutador casi  ideal ideal,,  rectificador y amplificador a la vez.

El SCR se asemeja a un diodo rectificador pero si el ánodo es positivo en relación al cátodo no circulará la corriente hasta que una corriente positiva se inyecte en la puerta. Luego el diodo se enciende y no se apagará hasta que no se remueva la tensión en el ánodo-cátodo, de allí el nombre rectificador controlado. Funcionamiento básico del SCR  El siguiente gráfico  gráfico muestra un circuito equivalente del SCR  SCR para para comprender su funcionamiento.  Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.

 

IB1 es la corriente base del transistor transistor  Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1. Este  proceso Este proceso  regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR .

Operación controlada del rectificador controlado de silicio Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta  alta  temperatura y  y potencia potencia.. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del  del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción la  la resistencia resistencia  dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 La resistencia inversa es típicamente de 100 k  o más. Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando esta apagado (OFF), no puede  puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de  de  estado estado  só1ido, la acción  de conmutación de un SCR es muy rápida. acción El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en  en  serie serie  con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 2. La alimentaci6n de voltaje es comúnmente una fuente de 60-Hz de ca, pero puede ser de cd cd  en circuitos circuitos  especiales. Si la  la alimentación de voltaje es de ca, el SCR pasa una cierta parte del tiempo tiempo  del ciclo de ca en el estado  estado ON, y  el resto del tiempo en el  el estado estadoOFF. OFF. Para una fuente de 60-Hz de ca, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que esta en ON y el tiempo que esta en OFF. La cantidad de tiempo que esta en cada  cada estado estado  es controlado por el disparador. Si una porción pequeña del tiempo esta en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga es pequeña. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, só1o por una porción relativamente pequeña del tiempo. Si la señal de la compuerta es cambiada para  hacer que el SCR este en ON por un periodo mas largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio será mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porci6n del tiempo del ciclo que el SCR  permanece encendido. Características de  de control del SCR  Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes fabricantes definen las siguientes características:-Tensión directa máx. ................................... ....................................................................: .................................: VGFM  VGFM - Tensión inversa máx. ...................................................................: VGRM ...................................................................: VGRM - Corriente máxima................................................................. máxima..........................................................................: .........: IGM - Potencia máxima...........................................................................: PGM

 

- Potencia media............................................... media..............................................................................: ...............................: PGAV  - Tensión puerta-cátodo para el encendido....................................... VGT  VGT - Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento......... VGNT elemento.........  VGNT - Corriente de puerta para el encendido...........................................: IGT - Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento.......: IGNT Determinan la  la naturaleza naturaleza  del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de disparo. Para la región puerta- cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes caracteristicas  Vgfm, Vgrm, Igm, Pgm, Pgav, Vgt, Vgnt, V gnt, Igt, Ignt. Entre los anteriores destacan: •

 Vgt e Igt que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

 Vgnt e Ignt que dan dan  los valores  valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de  de temperatura temperatura,, los tiristores no corren el  el riesgo riesgo  de dispararse de modo indeseado.

•

Entre los anteriores destacan: - VGT e IGT, que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor. - VGNT e IGNT, que dan los los  valores   valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado. También podemos tomar como apuntes muy importantes los 4 casos siguientes: 1. Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco (*) es una  una letra letra  que se agregará dependiendo de la condición de la terminal de compuesta de la manera siguiente: O = circuito abierto de G a K S = circuito cerrado de G a K R =  = resistencia de G a K V = Polarización fija (voltaje) de G a K  2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas. 3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo. 4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de avalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental. Características de la compuerta de los SCR  Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la Terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay  una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas terminales (VGK)debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. Mientras la corriente continué fluyendo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR perrnanecerá

 

en ON. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (IAK) caiga por debajo de un valor un  valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de ca pasa por cero a su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, la IHO es alrededor de 10 mA. CARACTERÍSTICA DEL SCR  La siguiente figura  figura muestra muestra  la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta. Cuando el SCR  SCR está está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la corriente de fuga característica que se muestra en el gráfico). En la región de polarización en directo el SCR  SCR se se comporta también como un diodo común, siempre que el SCR  ya haya sido activado (On).  (On).  Ver  Ver los puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de ánodo a cátodo es menor (VC). Si la IG disminuye, el voltaje ánodo-cátodo aumenta. (ver el punto B y A, y el voltaje ánodo-cátodo VB y VA). Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje ánodo-cátodo tenderá a aumentar antes de que el SCR  SCR conduzca conduzca (se ponga en On, esté activo)

Características • •

Interruptor casi casi  ideal ideal    Amplificador eficaz

•

Fácil controlabilidad

•

Características en en  función de situaciones pasadas (memorias (memorias). ).

•

Soportan altas tensiones

•

Capacidad para controlar Grandes Potencias Relativa rapidez

•

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Corresponden a la región ánodo- cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en un limite de sus posibilidades  Vrwm. Vdrm, Vt, Itav, Itrms, Ir,Tj, Ih CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Tensiones transitorias Son valores de tensión que van superpuesto a la señal sinusoidal de la fuente de alimentación. Son de escasa duración, pero de amplitud considerable. CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN

 

Los tiristores necesitan un tiempo para pasar de bloqueo a conducción y viceversa. Para frecuencias inferiores a 400hz podemos ignorar estos efectos. En la mayoría de las  las aplicaciones aplicaciones  se requiere una conmutación mas rápida por lo que este tiempo de tenerse en cuenta. CARACTERÍSTICAS POR TEMPERATURA  Dependiendo de las condiciones de  de trabajo trabajode de un tiristor, este disipa una cantidad de energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura produce un aumentó de la corriente de fuga, creando un fenómeno de acumulación de  de  calor calor  que debe ser evitado. Para ello se colocan Disipadores de calor. LOS PARÁMETROS DE RENDIMIENTO DEL SCR SON: - VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: 0)- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)IF: Máxima corriente directa permitida.- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo. VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR - dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR .  Aplicaciones del SCR  Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodosconvencionales 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 Fuentes  de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos. · Controles de  de motores motores.. · Recortadores. · Inversores. · Ciclo conversores. · Cargadores de baterías. · Circuitos de protección. · Controles de calefacción. · Controles de fase.  Ventajas •

Requiere poca corriente de gate para disparar una gran corriente directa

 

•

Puede bloquear ambas polaridades de una señal de A.C.

•

Bloquea altas tensiones y tiene caídas en directa pequeñas

Desventajas •

El dispositivo no se apaga con Ig=0

•

No pueden operar a altas frecuencias

•

Pueden dispararse por ruidos de tensión

•

Tienen un rango limitado de operación con respecto a la temperatura

Efectos con cargas inductivas Cuando la carga del SCR es una carga inductiva, (se comporta como un inductor), es importante tomar en cuenta el tiempo que tarda la corriente en aumentar en una bobina. El pulso que se aplica a la compuerta debe ser lo suficientemente duradero para que la corriente de la carga iguale a la corriente de enganche y así el tiristor se mantenga en conducción. En este tipo de cargas, la corriente puede, en principio, cambiar tan súbitamente como lo haga la tensión. Pero si el circuito es inductivo, como es el caso de los Motores  eléctricos, entonces la corriente no puede sufrir cambios bruscos, pudiendo llegar a Motores Tener un retraso considerable respecto a la tensión. Si la inductancia es alta pueden aparecer dos  dos  problemas problemas:: 1). Puede ocurrir que el tiristor no llegue ni siquiera a encenderse, si resultara que al crecer muy lentamente la corriente en el momento de la activación de la compuerta, al cesar el pulso de activación, la corriente aún no hubiera ni siquiera alcanzado el mínimo IH necesario para mantener encendido al tiristor. La solución a este problema consiste en hacer que los pulsos de encendido sean más largos. 2). Si el retraso de la corriente es muy grande, puede que cuando ésta llegue a ser inferior a la corriente de  IH , la tensión sea ya tan grande que el tiristor siga encendido, con lo cual, no se apaga nunca. mantenimiento  IH  mantenimiento Para evitar este problema se monta en paralelo con la carga un diodo para derivar por él el exceso de corriente que hace que el tiristor no se cierre a su tiempo. Grafica de la corriente y voltaje Con carga inductiva

 

Conclusión Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado. Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y  entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de  de  electrónica electrónicade de potencia, en el campo del control, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

DIAC 1.

DEFINICIÓN.

 

El DIAC (Diode Alternative Current, Figura 1) es un dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) 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 cebado o de disparo

 

2.

ESTRUCTURA.

 

3.   APPLET CURVA CARACTERÍSTICA Y Y FUNCIONAMIENTO. FUNCIONAMIENTO.

  En la curva característica tensión-corriente se observa que: - V(+ ó -) < V b0 , el elemento se comporta como un circuito abierto. - V(+ ó -) > V b0 , el elemento se comporta como un cortocircuito. Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo V b0; la intensidad que circula por  el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente, disminuyendo como consecuencia la tensión.  

4.   CARACTERÍSTIC CARACTERÍSTICAS AS GENERALES Y APLICACIONES.   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 circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R 

 

variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

 

TRIAC  

1.

DEFINICIÓN.. DEFINICIÓN

 

El TRIAC (Triode (Triode for Alter Alternative native Current) Current) es un dispositivo dispositivo semiconductor 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 independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.  

Figura 1: Símbolo del TRIAC.   En la Figura 1 se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (T2) y Terminal Principal 1 (T1) respectivamente.  

2.

 

ESTRUCTURA.

 

Figura 2 : Estructura básica del TRIAC.   La estructura estructura contiene seis capas como se indica en la Figura 2, aunque funciona funciona siempre como un tiristor tiristor de cuatro capas. En sentido T2-T1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 T1-T2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor  en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 (A) eficaces eficaces y desde 400 a 1000 (V) de tensión tensión de pico repetiti repetitivo. vo. Los TRIAC son son fabricados fabricados para funcionar a frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Figura 3, este dispositivo es equivalente a dos "latchs"( transistores conectados con realimentación positiva, donde la señal de retorno aumenta el efecto de la señal de entrada).  

Figura 3.   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, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente esta en fase con la tensión, no supone ningún problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener  en cuenta, en el diseño del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situación de la tensión aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensión entre los dos terminales del componente.  

 

3.

APPLET CURVA CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICAS S Y FUNCIONAMIENTO.

  La curva característica del TRIAC es la representada en el siguiente Applet:

El Applet describe la característica tensión – corriente del TRIAC entre los ánodos T 2 y T1.   La tensión V b0 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. Esto se realiza por medio de la disminución de la tensión de la fuente. Una vez que el TRIAC entra en conducción, la compuerta no controla mas la conducción, por esta esta razón se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energía sobrante en la compuerta. El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo T1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva es igual a la del III.  

4.

MÉTODOS DE DISPARO.

Como hemos dicho, el TRIAC posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G. La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1. 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. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.   1. El primer modo del primer cuadrante designado por  I (+), es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo más común (Intensidad de compuerta entrante). La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y -. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

 

  El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente). Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más  positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión  N1P1 y la hacen pasar a conducción.   2.

3.

El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por  I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es

 MT1( positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo Intensidad de compuerta saliente). El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2. El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.  

 

  4. El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante). El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbi abso rbido do por su pot potenci encial al de uni unión, ón, haci haciénd éndose ose más conductora. conductora. El potenci potencial al pos positi itivo vo de pue puerta rta pol polari ariza za más  positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

 

Existe un gran número de posibilidades para realizar en la práctica el disparo del TRIAC, pudiéndose elegir  aquella que más resulte adecuada para la aplicación concreta de que se trate. Se pueden resumir en dos variantes básicas: 1. 2.

Disp Dispar aroo por por corr corrie ient ntee cont contin inua ua,, Disp Dispar aroo por por corr corrie ient ntee alte altern rna. a. 4.1

DISPARO POR CORRIENTE CONTINUA.

  En este caso la tensión de disparo proviene de una fuente de tensión continua aplicada al TRIAC a través 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 función de control, que puede ser un simple interruptor mecánico o un transistor trabajando en conmutación.

 

Este sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos electrónicos alimentados por tensiones continuas cuya función sea la de control de una corriente a partir de una determinada señal de excitación, que generalmente se origina en un transductor de cualquier tipo.

  4.2

DISPARO POR CORRIENTE ALTERNA.

El disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un transformador que suministre la tensión de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensión de la red con una resistencia limitadora de la corriente de  puerta adecuada y algún elemento interruptor que entregue la excitación a la puerta en el momento preciso.  

 

5.

CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICAS S GENERALES  Y Y APLICACIONES. APLICACIONES.

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 ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales, que requieren siempre el movimiento de un contacto, siendo la principal la que se obtiene como consecuencia de que el TRIAC siempre se dispara cada medio ciclo cuando la corriente pasa por cero, 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.   Resumiendo, algunas características de los TRIACS: - El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conducción cuando se inyecta corriente a la compuerta. Después del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retención Ih. - La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de  bloqueo. -característica La aplicaciónrefleja de losunTRIACS, a diferencia los Tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Sudel curva funcionamiento muy de parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad.

 

- La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.

Opto SCR  Optoacoplador: Diodo LED y Fototransistor El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, fototransistor, de diodo LED fototransistor manera de que cuando el emite luz, luz, ilumine el y conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible. La corriente de salida IC del optocoplador (corriente de colector del fototransistor fototransistor)) es proporcional proporcion al a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes se llama razón de transferencia de corriente (CTR) y depende de la temperatura ambiente. A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED) La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor fototransistor)) están 100% aislados y la impedancia  impedancia de entrada es muy grande (1013 ohms típico) El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar ésta. relés,, conmutadores. De Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos electromecánicos como relés esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutac conmutación ión y casi no hay necesidad de mantenimiento. Otros tipos de optoacopladores

Optoacoplador con fotodiodo

Optoacoplador con Darlington 

Optoacoplador con fototiristor (SCR) 

Optoacoplador con TRIAC

Foto Diodo

 

Fotodiodo

Fotodiodos

Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura siguiente se muestra su símbolo circuital.

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.

El circuito de un fotodiodo se trata de un circuito similar al de una célula fotoeléctrica con la diferencia de que a este último se le han añadido corrientes de fuga y ruido.   Las variables las especificamos a continuación:   Vo = ( Ip + Id ) · Rc · Rp / ( Rc + Rp + Rs )

  Y las fuentes de corriente inversa son:    Ip = α q Φ A

 

 Id = Io ( exp{ q V / k T } – 1 )

  Donde: α es el rendimiento cuántico del detector  q el la carga del electrón Φ es la densidad de flujo incidente A es el área del detector  Io es la corriente de saturación inversa V es la tensión aplicada al diodo k es la constante de Boltzmann T es la temperatura absoluta   Para detectar la señal de un fotodiodo fotodiodo hay distintas distintas opciones. opciones. Una posibilidad posibilidad es no polari polarizar zar el diodo (modo fotovoltaico) y medir la tensión en vacío, o la corriente de cortocircuito mediante un amplificador de transimpedancia.

 

Circuitos para detectar la señal de un fotodiodo: (a y b) sin polarización y (c) con polarización inversa

Cuando no hay polarización, la corriente generada lo es en el sentido de la conducción directa del diodo, haciendo el ánodo positivo, por lo que la tensión en vacío, Vo, se obtiene a partir de:   0 = Ip – Io ( exp { q Vd / k T } – 1 )  

de donde Vd = ( k T /q ) · ln ( 1 + Ip / Io )

Para detectar radiación ultravioleta, se emplea un recubrimiento plástico que bloquea la luz visible, y dejar pasar  toda la radiación (