Informe de Tiristores. GRUPO 4

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA DE CIENCIAS APLICADAS ELECTRÓNICA

INFORME DE TIRISTORES SCR-TRIAC- DIAC

INTEGRANTES Obando Luis Revelo David Rueda Carlos

2017-2018

Contenido OBJETIVOS................................................................................................................................3 INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................3 TIRISTORES...............................................................................................................................4 Distintos métodos de disparo de los tiristores...........................................................................4 TIPOS DE TIRISTORES.........................................................................................................5 SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO).....................................................5 TRIAC (TRIODO PARA CORRIENTE ALTERNA).........................................................10 DIAC (Diodo para Corriente Alterna)................................................................................14 EN RESUMEN..........................................................................................................................17 CONCLUSIONES.....................................................................................................................18 RECOMENDACIONES............................................................................................................19 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA............................................................................................19

OBJETIVOS Objetivo general Investigar los diferentes tipos de tiristores a través del uso de fuentes bibliográficas y material de apoyo para ampliar y fortificar conocimientos en la materia de electrónica. Objetivos específicos Analizar los tiristores a través de la investigación de los mismos con el fin de conocer características específicas que nos permitan identificarlos. Identificar semejanzas y diferencias entre tiristores a través del análisis para aplicarlo a lo largo de nuestra carrera. Conocer a profundidad los tipos de tiristores con el fin de impartir los nuevos conocimientos a compañeros de la materia en curso. INTRODUCCIÓN Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia. La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción. En resumen, un tiristor tiene tres terminales un ánodo, un cátodo y una compuerta. Cuando se hace pasar una corriente pequeña por el terminal de la compuerta hacia el cátodo el tiristor conduce siempre que la terminal del ánodo tenga mayor potencial que el cátodo. Dentro de la familia de los tiristores encontramos: SCR (Silicon Controlled Rectifier), Diac y Triac.

TIRISTORES Distintos métodos de disparo de los tiristores: o Por puerta. o Por módulo de tensión. (V) o Por gradiente de tensión (dV/dt) o Disparo por radiación. o Disparo por temperatura. Disparo por puerta Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo. “Una vez disparado el dispositivo, perdemos el control del mismo por puerta” [ CITATION Hen88 \l 3082 ]. Disparo por módulo de tensión Este método podemos desarrollarlo basándonos en la estructura de un transistor: si aumentamos la tensión colector - emisor, alcanzamos un punto en el que la energía de los portadores asociados a la corriente de fugas es suficiente para producir nuevos portadores en la unión de colector, que hacen que se produzca el fenómeno de avalancha Disparo por gradiente de tensión Si a un tiristor se le aplica un escalón de tensión positiva entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto, los portadores sufren un desplazamiento para hacer frente a la tensión exterior aplicada. Disparo por radiación La acción de la radiación electromagnética de una determinada longitud de onda provoca la elevación de la corriente de fugas de la pastilla por encima del valor crítico, obligando al disparo del elemento.

Disparo por temperatura El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. TIPOS DE TIRISTORES SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO) Definición. El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. [ CITATION AIN13 \l 3082 ] Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Estructura Posee tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate)

Curva característica del scr. (IAK vs. VAK) Cuando es nula la tensión V Ak lo es también lA. Al crecer la tensión V en sentido directo (V F) se alcanza un valor mínimo Vd que provoca el cebado o conducción del tiristor. El tiristor se hace entonces conductor y cae la tensión ánodo-cátodo mientras aumenta la corriente l A, por lo mismo a esta corriente directa la llamaremos IF. (F de forward). Esto se detalla en el siguiente gráfico. Si se polariza inversamente al tiristor aplicándole una tensión VR en sentido reverso aparece una corriente inversa de fuga y hasta que alcanza un punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del elemento. • El tiristor es conductor en el primer cuadrante, el disparo ha sido provocado por el incremento de tensión A-K. • La aplicación de una corriente de mando en la puerta desplaza como veremos hacia la izquierda al punto de disparo Dd , así:

¿Cómo Funciona El SCR? El SCR funciona como un conmutador casi ideal, funciona también como un Diodo Rectificador Controlado (Corriente Alterna y Corriente Directa). Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. Misiones del dispositivo

 Rectificación: consiste en usar la propiedad de funcionamiento unidireccional que realiza la función de un diodo.  Interrupción de Corriente: usado como interruptor el SCR puede reemplazar a los contactos metálicos.  Regulación: la posibilidad de ajustar el momento preciso de conducción del SCR permite gobernar la potencia o la corriente media a la salida.  Amplificación: puesto que la corriente de mando puede ser muy débil en comparación con la corriente principal IAK se produce el fenómeno de amplificación de corriente. Como se activa un tiristor El tiristor puede adoptar uno de estos estados: a) De bloque, cuando está polarizado en sentido inverso. b) De bloqueo o de conducción, cuando la polarización es directa, según esté activado o no. Con respecto a este segundo caso (caso b) se puede activar al tiristor por medio de los siguientes medios: • La tensión: cuando aumenta la tensión A-K el tiristor llega a un momento en que la corriente de fuga es suficiente para producir un brusco aumento de la I A. • La Temperatura: la corriente inversa de fuga de un transistor de silicio aumenta al doble por cada 14 0C de incremento de la temperatura, cuando la corriente alcanza un valor suficiente se produce el disparo del tiristor. • El efecto transistor: en la base del transistor (puerta) equivalente se inyectan portadores que provocan el fenómeno de activación. Como se ilustra en la figura 10.4 • Efecto Fotoeléctrico: por efectos de la luz se produce la activación del tiristor en el caso de un fototiristor.

Formas de apagado del SCR 1) Interrupción de la corriente de ánodo

Para el caso del primer gráfico la corriente I A = 0 cuando el interruptor está abierto (interrupción en serie). En cambio, para el segundo gráfico I A = 0 cuando el interruptor está cerrado (interruptor en derivación) [ CITATION Ant11 \l 3082 ]. 2) La técnica de conmutación forzada Que consiste en invertir la polarización del ánodo cátodo, como se indica en el siguiente gráfico.

Conmutación forzada Durante la conducción del SCR el Q1 está en corte, en otras palabras, está en circuito abierto ya que por la base está circulando una corriente igual a cero, esto evitará que el circuito de apagado afecte a la conducción del SCR. Para condiciones de apagado se aplica un pulso positivo a la base de Q1 poniéndolo en conducción con lo que se produce una baja impedancia entre emisor y colector y el potencial de la batería VB aparecerá entonces directamente en el SCR forzando la corriente a través de él en la dirección inversa para el apagado. Por lo general los tiempos de apagado de los SCR son del orden de los 5 a 30 μs.[ CITATION Jua17 \l 3082 ].

Circuito Equivalente 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 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, y......Q1 y Q2 Es Un Proceso Regenerativo que causa el encendido del SCR.

Características generales o

Interruptor casi ideal.

o

Soporta tensiones altas.

o

Amplificador eficaz.

o

Es capaz de controlar grandes potencias.

o

Fácil controlabilidad.

o

Relativa rapidez.

o

Características en función de situaciones pasadas (memoria).

Aplicaciones del SCR o

Un interruptor estático

o

Un sistema de control da fase

o

Un cargador de baterías

o

Un controlador de temperatura

o

Un sistema de luces de emergencia.

Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores (dimmer) de lámparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos. En la Figura 1 se muestra un circuito de control de fase de media onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 V (AC). R L representa la resistencia de la carga (por ejemplo, un elemento calefactor o el filamento de una lámpara). R1 es una resistencia limitadora de la corriente y R2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR. Mediante el ajuste del mismo, el SCR se puede disparar en cualquier punto del ciclo positivo de la onda en alterna entre 0 y 180º, como se aprecia en la Figura 1.

Figura 1: (a) Conducción durante 180º (b) Conducción durante 90º Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), como en la Figura 1 (a), conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima potencia a la carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 1 (b), el SCR conduce durante aproximadamente 90º y se transmite menos potencia a la carga. Mediante el ajuste de RX, el disparo puede retardarse, transmitiendo así una cantidad variable de potencia a la carga. Cuando la entrada en AC es negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez hasta el siguiente disparo durante el ciclo positivo. Es necesario repetir el disparo en cada ciclo como se ilustra en la Figura 2. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR.

Figura 2: Disparos cíclicos para control de potencia

TRIAC (TRIODO PARA CORRIENTE ALTERNA) Definición El triac es un elemento semiconductor de tres electrodos uno de los cuales es el mando (puerta) y los otros dos son los terminales principales de conducción. El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un régimen conductor en los dos sentidos de polarización (I y III cuadrantes) y volver al estado de bloqueo por inversión de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor IH.

En la figura se describe la curva característica y su símbolo.

Estructura Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta (gate). El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo de gate/puerta. Está formado por 6 capas de material semiconductor [ CITATION Car77 \l 3082 ].

Pueden definirse cuatro cuadrantes de polarización para caracterizar el funcionamiento del triac

El dispositivo puede pasar al estado conductor independientemente de las polaridades de puerta o de ánodo. El disparo se efectúa en los cuatro cuadrantes. Activado del TRIAC Si se aplica la tensión V1 al ánodo A1, la tensión V2 al ánodo A2 y la tensión VG a la puerta y si tomamos V1 como punto de referencia a tierra podemos definir cuatro cuadrantes de polarización.

Tipos de disparo de tiristores y triacs Se distinguen tres modalidades de disparo, según la forma de la señal aplicada a la puerta, así: a) Corriente continua b) Corriente alterna

c) Impulsos o trenes de onda. Aplicaciones más comunes 

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corriente alterna (C.A.).



Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.



Funciona como interruptor electrónico y también a pila.



Se

utilizan

TRIACs

de

baja

potencia

en

muchas

aplicaciones

como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apague correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

Control de fase (Potencia) En la figura se presenta una aplicación fundamental del triac.

En esta condición, se encuentra controlando la potencia de ac a la carga mediante la conmutación de encendido y apagado durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de entrada. La acción de este circuito durante la parte positiva de la señal de entrada es muy similar a la encontrada para el diodo Shockley. La ventaja de esta configuración es que, durante la parte negativa de la señal de entrada, se obtendrá el mismo tipo de respuesta dado que tanto el diac como el triac pueden dispararse en la

dirección inversa. La forma de onda resultante para la corriente a través de la carga se proporciona en la figura "control de fase". Al variar la resistencia R, es posible controlar el ángulo de conducción. Existen unidades disponibles actualmente que pueden manejar cargas de más de 10kW.

DIAC (Diodo para Corriente Alterna) El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor doble de dos conexiones. Es un diodo bidireccional autodisparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo alternativa, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor triple de voltios característico para ese dispositivo. El comportamiento es variable para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo doble variable de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón. Los DIAC son una denominación de tiristor, y se usan normalmente para autocompletar el ritmo variado del disparo de un triac, otra clase de tiristor. Es un dispositivo semiconductor de dos terminales amenos, ánodo 1 y ánodo 2. Actúa como una llave semicircular interruptora bidireccional la cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales variables alcanza el voltaje de quema o accionado, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la potencia del proceso de fabricación

Estructura interna de un diac Símbolo del diac

Fabricación La

fabricación

de

los

diac

se

basa

en

unir

materiales

cristalinos

semiconductores positivados y negativa dos, como el silicio y el germanio, después de un tratamiento específico. Para que los materiales cristalinos sean semiconductores, se les dopa (introducen su interior) con partículas negativas o positivas, según se requiera convertir el cristal semiconductor en negativo o positivo. Tipos de DIAC 

DIAC de tres capas:

Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones. 

DIAC de cuatro capas:

Consiste en dos diodos Shockley conectados en anti paralelo, lo que le da la característica bidireccional. Su aplicación tiene como dispositivo de disparo bidireccional para el TRIAC.

Características generales 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.

Aplicaciones 

Controles de relevador.



Circuitos de retardo de tiempo.



Fuentes de alimentación regulada.



Interruptores estáticos.



Controles de motores.



Recortadores.



Inversores.



Ciclo-conversores.



Cargadores de baterías.



Circuitos de protección.



Controles de calefacción.



Controles de fase.

Curva característica del diac

Ejemplo: Trazar la forma de onda de la tensión de salida, diac, V ruptura = 20V I = 1mA

EN RESUMEN

Existen diferentes tipos de tiristores en los que se puede evidenciar características específicas.

CONCLUSIONES o El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. o El SCR presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.

Funciona

básicamente

como

un diodo rectificador controlado,

permitiendo circular la corriente en un solo sentido. o En SCR trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Si se trabaja en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. o Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico. o Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor. Es bidireccional.

De

forma

coloquial

podría

decirse

que

el

TRIAC

es

un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. o La aplicación de los TRIACS, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes.

o El TRIAC es un dispositivo simular al Diac pero con un único terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere o

alcanzar el voltaje VBO como el Diac. El DIAC funciona o permite el paso de corriente cuando el voltaje de entrada (Ve) es mayor q su voltaje de ruptura (Vr), y deja de funcionar cuando la corriente q pasa por

o

él (I) es menor a la corriente de funcionamiento (Ih) Los DIAC son una denominación de tiristor, y se usan normalmente para

o

autocompletar el ritmo variado del disparo de un triac El DIAC produce disparos o golpes de voltaje que son complementos del TRIAC y 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.

RECOMENDACIONES Antes de empezar a trabajar con los tiristores en la práctica, se recomienda consultar el datasheet del componente a utilizar. Se recomienda profundizar los temas estudiados con el fin de identificar con facilidad los tipos de tiristores. Se recomienda realizar prácticas del tema consultado con el fin de aclarar dudas y conocer el funcionamiento de los tiristores. Realizar la práctica de utilización de scr, diac y triac para una mejor determinación de su funcionamiento en el ámbito de la electrónica Analizar varias configuraciones de circuitos con diac para analizar el comportamiento de las formas de onda de voltaje y corriente

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

A, I. T. (2013 ). ELECTRÓNICA DISPOSITIVOS Y APLICACIONES. Quito. Carlos Fernández-Barrutia, L. P. (1977). Tiristores. ICAI. Castillo, J. C. (2017). Electrónica. Novedad 2017. Editex. Donate, A. H. ( 2011). Electrónica Aplicada. Marcombo. Lilen, H. (1988). Tiristores y triacs: principios y aplicaciones de los tiristores, triacs, diacs, SBS, fototiristores, etc., con esquemas de aplicación. Marcombo.

Anexos SCR

DIAC