Lab. 5 Tiristor

ELECTRONICA

LABORATORIO N°05

Tiristores

INTEGRANTES: Huarza Mamani Roger Armando

Choque Rafael

GRUPO B PROFESOR:

BAKER CARPIO

NOTA

Laboratorio de Electrónica

Tema: Tiristores

Nro. DD-106

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Introducción

Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de potencia diseñados específicamente para trabajar en regímenes de altas corrientes y altos voltajes. Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.

1. OBJETIVOS

Identificar los tipos más usados de tiristores.

Realizar pruebas de funcionamiento.

Mostrar el funcionamiento de un SCR.

Identificar los terminales de un tiristor.

Trabajar eficazmente en equipo.

Aplicar las normas de seguridad en el laboratorio.

2. MATERIAL A EMPLEAR

Protoboard

Fuente de alimentación DC

Multimetro.

Conectores.

02 Resistencias de 1KΩ 1/2W

Resistencia de 10KΩ 1/2W

Diodo LED


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3. SEGURIDAD EN LA EJECUCIÓN DEL LABORATORIO

Tener cuidado con el tipo y niveles de voltaje que suministran a las tarjetas

Antes de utilizar el multímetro, asegurarse que esta en el rango y magnitud eléctrica adecuada.

Tener cuidado en la conexión y en la desconexión de los equipos utilizados

Fundamento Teórico

Los tiristores son un grupo de dispositivos semiconductores diseñados especialmente para

trabajar en regímenes de altas corrientes y/o voltajes, sus aplicaciones principales son en el

campo de la electrónica de potencia.

La mayoría de los tiristores tienen dos estados corte y conducción y en el caso e conducción la

corriente no está determinada por el dispositivo sino por el circuito de carga.

Dentro del grupo de los tiristores que vamos a ver, tenemos los siguientes dispositivos.

SCR

TRIAC

DIAC


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SCREs un dispositivo de tres terminales que se comportan como un interruptor, conduce en directo y no

conduce en inverso, pero adicionalmente para entrar en conducción se le debe aplicar en la terminal

de compuerta una corriente, a esta acción se le conoce como disparo del SCR.

DIAC

Está constituido por dos conjuntos de cuatro capas semiconductoras colocadas en paralelo y en

oposición: PNPN y NPNP. Dado que no dispone de puerta, la conducción sólo se puede producir al

superar la tensión de ruptura, en este caso, es posible en ambas direcciones. Para que deje de

conducir es necesario anular la intensidado, al menos reducirla por debajo del nivel mínimo de

mantenimiento. El uso más común para este dispositivo es el de disparo para un SCR o Triac, como

vemos en la figura a continuación, el circuito de resistencia y condensadores de la figura forma un

circuito de carga y descarga de un condensador cuya constante de tiempo podemos regular con el

potenciómetro. Cuando alcanza la tensión suficiente, se produce la ruptura del Diac y el disparo del

SCR.


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TRIACEs 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 independientemente de la polarización de puerta, es decir mediante una corriente

de puerta positiva o negativa.

PROCEDIMIENTO

I. Reconocimiento Físico de los dispositivos de potencia

I.1 La figura muestra el símbolo de un SCR, anote los elementos que corresponden a cada terminal.

Ánodo

Gate

Cátodo


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I.2 Buscar en el manual ECG, rectificador controlado de silicio - SCR BT151 y complete la siguiente tabla

Modelo de encapsulado Corriente máxima

T0 -220 10A

I.3 Anote los elementos que corresponden con cada terminal del dispositivo de la figura 2

I.4 La figura 3 muestra el símbolo del Triac, anote los elementos Que corresponden a cada terminal

Cátodo

Ánodo

gate

Ánodo 1Ánodo 2


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I.5 Buscar en el manual ECG o NTE, TRIAC BT136 o BT137 y complete la tabla.

Modelo de encapsulado Corriente máxima

T0-220 40A

I.6 Anote los elementos que corresponden con cada terminal del dispositivo de la figura 4

I.7 La figura 5 muestra el símbolo de un Diac, anote los elementos Que corresponden a cada terminal

I.8 Buscar en el manual ECG o NTE, el DIAC BD3 y anotar sus caracteristicas

Modelo de encapsulado Voltaje de Disparo

Gate

Terminal principal 1

gate

Terminal principal 2

Ánodo 1 Ánodo 2


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D0-32 32 ±

II. Prueba de estado de un SCR y un TRIAC

Comprobar el estado de los dispositivos de potencia

Prueba del estado del SCR

II.1 Usando el multimetro analógico con el selector en ohmios en la escala de RX1, conecte la punta

positiva al ánodo (pin1) y la negativa al cátodo (pin2), hacer un puente (disparo), usando la punta del

instrumento entre el ánodo y la compuerta (pin2 y 3).

¿Qué observa en el instrumento?

Su resistencia es más elevada, midiendo con el multímetro se presenta una resistencia de 42.3

MΩ

II.2 Retire el puente del Gate pero manteniendo conectado la punta del instrumento al ánodo.


No presenta resistencia R=0.1

II.3 De las pruebas realizadas en los pasos anteriores el SCR se encuentra en………bloqueo…… estado.


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Prueba del estado del TRIAC

II.4 Usando el multimetro analógico con el selector en ohmios en la escala de RX1, conecte la punta

positiva al ánodo 2 o MT2 (pin2) y la negativa al ánodo1 o MT1 (pin1), hacer un puente (disparo),

usando la punta del instrumento entre el ánodo2 y la compuerta (pin2 y 3).


foto

Se registra OL, la carga se dispara, porque la corriente del ohmímetro es mayor que de

la corriente de mantenimiento.

II.5 Retire el puente del Gate pero manteniendo conectado la punta del instrumento al ánodo2.


foto

415.9 Ohm

II.6 De las pruebas realizadas en los pasos anteriores el TRIACse encuentra en………bloqueo…………..

estado.


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III. Circuito de disparo con SCR

III.1 Implementar el circuito mostrado en la figura 8

III.2 Cierre el interruptor S1 ¿Qué sucede con la luminosidad del led?


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foto

La luminosidad del led se enciende, también el interruptor s2 está cerrado, se deduce que el

flujo de la corriente es constante en toda la malla

III.3 Abra el interruptor S1 ¿Qué observa en el led? ¿Por qué?


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foto

El led sigue encendida, pues teóricamente sabemos que la tensión gate solo sirve para activar

nuestro tiristor, y deducimos que la corriente del cátodo se hace cero.

III.4 Abrir el interruptor S2. Diga que ocurre con la luminosidad del led.

foto

La luminosidad del led se apaga, esto sucede porque la corriente ánodo - cátodo se hace

cero.

III.5 En qué estado se encuentra el SCR………. en polarización directa.

Si. El S1,S2 se encuentran cerrados el SCR se activa para que suceda esto, la corriente

ánodo- cátodo debe ser mayor la de gate .


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IV. Circuito de Disparo y Bloqueo con SCR


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IV.1 Pulse SW1 ¿Qué sucede con la luminosidad del led? ¿Por qué?

No se enciende la lamparita porque presenta una alta resistencia

IV.2 Pulse SW2. Diga que ocurre con la luminosidad del led. ¿Por qué?

No se enciende la lámpara

IV.3 En que estado se encuentra el SCR……conducción


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CONCLUSIONES Y APLICACIONES

La corriente que activa el scr puede ser de bajo valor, pues con solo un pulso de corriente este quedará activo.

El voltaje que hay en el ánodo cae drásticamente al momento del encendido del scr.

Luego de encendido el scr, no es necesario que la compuerta siga recibiendo corriente porque este seguirá conduciendo hasta que el voltaje disminuya a tal punto que se desactive.

Los scr nos permiten controlar el paso de corriente a determinadas ramas de un circuito previniendo daños y alargando la vida útil de estos.

Según la referencia del scr estos pueden controlar diferentes tipos de voltajes.

Mientras no se aplique ninguna tensión en el GATE del scr no se inicia la conducción, dado que esta es la clave para que el tiristor quede activo de forma “permanente hasta que algo externo al él rompa la conducción.

Los scr se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control; debido a que el tiristor puede ser utilizado como interruptor de tipo electrónico.


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Anexo

El tiristor

El tiristor es un componente semiconductor diseñado para realizar una función interruptora o una rectificación controlada.

Su forma de trabajo es similar a la de un diodo ya que únicamente permite el paso de la corriente en un único sentido de circulación, sin embargo se diferencia de éste en que su conducción está regulada por la acción de uno de los electrodos que posee.


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Estructura

Está formado por una estructura de cuatro regiones semiconductoras p-n-p-n, formando la primera de ellas el ánodo, la última el cátodo y la región de contacto con éste es la denominada puerta, cuya función es la de “disparo” o puesta en situación de conducción del componente.

Esta estructura puede dividirse, con objeto de analizar su comportamiento en dos partes, formando cada una de ellas un transistor. De esta manera, existirá un transistor p-n-p constituido por el ánodo y las dos regiones siguientes y otro transistor del tipo n-p-n que comprende el cátodo junto con las dos regiones que se consideraron anteriormente. Estos dos transistores estarán unidos eléctricamente en las siguientes zonas: •La base del p-n-p con el colector del n-p-n. •El colector del p-n-p con la base de n-p-n y al electrodo denominado puerta.

El circuito obtenido forma una estructura fuertemente retroalimentada ya que cualquier señal que se aplique sobre la puerta será amplificada y saldrá por el colector del transistor n-p-n, alcanzándose la base del p-n-p y amplificándose de nuevo con el colector de éste, que coincide con el terminal de puerta. Entonces el componente entrara rápidamente en saturación y podrá circular una corriente eléctrica entre el emisor del transistor p-n-p que coincide con el ánodo y el emisor n-p-n, que forma el cátodo del elemento.


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Disparo

De todo lo anterior se deduce que la entrada en conducción del tiristor depende de la señal que se aplicó a su puerta, pero su permanencia en este estado ya no depende de ella porque es la propia realimentación interna del dispositivo la que le mantiene en conducción. Por lo tanto podrá suprimirse la señal de la puerta sin ejercer ninguna influencia sobre dicha conducción. El dispositivo ha quedado “disparado”. Además de la forma de disparo anterior, existen otras que conviene conocer ya que pueden ser útiles en cualquier aplicación de este componente.

Las diferentes formas de disparo son las siguientes: •Tensión: Al aumentar la tensión colector-emisor de un transistor puede llegar a provocarse la ruptura por avalancha del mismo. En este momento se llega a una situación similar a la comentada por la realimentación interna, pasando el tiristor a conducción. •Variación rápida de la tensión: Si la tensión ánodo-cátodo varia bruscamente se produce una transmisión de dicha variación hacia el interior del componente, debido a un efecto capacitivo, iniciándose a partir de ella el proceso regenerativo del disparo. •Temperatura: El efecto de la temperatura sobre un transistor es la de aumentar la corriente de deriva del colector. En el momento que se alcance la corriente suficiente para iniciar la regeneración, el tiristor pasará a conducción. •Disparo por la señal de puerta: Esta es la forma más común de disparo y su mecanismo ya ha sido comentado. •Luz: En el caso de los foto tiristores se producirá un disparo con la luz incidente.


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Control de la corriente

Obsérvese que a pesar de que los tiristores poseen ciertas analogías con los transistores, se diferencian en todo lo relativo al control de la corriente que circula por ellos. Mientras que un transistor esta corriente está controlada por la acción de la base, en un tiristor no existe ningún control sobre la misma después del momento inicial del disparo.

Es preciso, por lo tanto, definir algún procedimiento de bloqueo del tiristor de forma que pueda volver a estar controlado por cualquiera de los mecanismos de disparos descriptos. Este procedimiento consiste en aplicar entre ánodo y cátodo una tensión inversa con el negativo sobre el ánodo y el positivo sobre el cátodo. De esta manera el tiristor pasará a bloqueo en un corto período de tiempo denominado “tiempo de bloqueo” o en inglés “turn-off time”. La tensión inversa podrá seguidamente ser desconectada manteniéndose el componente en la situación adquirida.

Curvas características

La forma de trabajo del tiristor está perfectamente definida por sus curvas características en las que se representa en el eje vertical la corriente y en el horizontal la tensión ánodo-cátodo. Suelen dibujarse diferentes curvas para diversos valores de tensión de disparo de puerta.

Las curvas presentan tres zonas: la primera situada a la izquierda, con las tensiones inversas entre ánodo y cátodo, muestra el punto de máxima tensión por entrar el dispositivo en avalancha inversa, esta primera zona se extiende hacia la derecha con los diferentes puntos de disparo por puerta hasta llegar al disparo por tensión directa. La segunda zona es la del disparo propiamente dicho en la que se observa un fenómeno muy curioso de resistencia negativa ya que una disminución de tensión produce un aumento de corriente. La tercera zona es la de corriente de mantenimiento a una baja tensión ánodo-cátodo, únicamente limitada por la máxima disipación de potencia del tiristor.


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Aplicaciones

Las aplicaciones de los tiristores se extienden 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 aportan 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 alternacia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Las características que definen un tipo cualquiera de tiristor son las siguientes: •IT(RMS): Máxima corriente alterna eficaz que puede conducir. •IT(AV): Máxima corriente continua en conducción de 180º. •VTM: Tensión directa máxima en conducción de 180º. •VRRM: Tensión inversa máxima repetitiva que puede aplicarse al tiristor. •VFRM: Tensión directa máxima que puede aplicarse sin alcanzar el disparo. •IGT: Corriente mínima de puerta para disparo. •IGD: Corriente máxima de puerta que puede aplicarse sin alcanzar el disparo. •VGT: Tensión de puerta necesaria para producir la corriente de disparo. •VGT máx: Tensión máxima de puerta para el disparo. •VGT mín: Tensión mínima de puerta para garantizar la corriente de disparo.

Dispositivos de Electrónica de PotenciaIntroducción:

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el

tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor

uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.

Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el

tiristor bloqueable por puerta (GTO).

Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la

intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.


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El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia

(conducción).

Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo,

con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas

condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de

potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Aplicaciones :

Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.

Industria:

o Control de motores asíncronos.

o Inversores.

o Caldeo inductivo.

o Rectificadores.

o Etc.


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A continuación se describen los principales dispositivos de Electrónica de Potencia:

Triac:El Triac puede ser considerado como la integración de 2 SCR’s en forma paralela invertida.

El símbolo eléctrico del TRIAC, así como sus características de Voltaje corriente, se muestran en la figura.

Cuando la terminal T1 es positiva con respecto a la terminal T2, y el dispositivo es disparado por una

corriente positiva en la terminal “gate” (+ig), éste se enciende. De igual forma, cuando la terminal T2 es

positiva con respecto a la terminal T1 y el dispositivo es disparado por una corriente negativa en la terminal

“gate” , el dispositivo también se enciende.

Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en

el cuadrante I de la curva UT2-T1 -T2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída

de tensión en conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si

se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.

El modo de operación del Triac, se describe a continuación:

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a T1.


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Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal

del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2.

La corriente de puerta circula internamente hasta T1, 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

puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los

electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son

acelerados por ella iniciándose la conducción.

Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal.

El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado 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.

Modo III + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la 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.

Modo III - : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e 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.


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Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

El Triac es usado frecuentemente en muchas aplicaciones de baja potencia como extractores de jugo, mezcladoras y aspiradora. Es económico y fácil de controlar en comparación de 2 SCR’s conectados en forma antiparalela . Sin embargo, el Triac tiene una baja capacidad de dv/dt y un largo tiempo de apagado. No es recomendable su uso en niveles altos de voltaje y corriente.

Diac:

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.


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La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

GTO (Gate Turn-off Thyristor)

Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”.

El símbolo para el tiristor GTO usado más frecuente, así como sus características de conmutación se muestran en la figura.

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig),


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crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc –ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET’s, TBJ’s e IGBT’s no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC – DC, los GTO’s, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.


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IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el


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tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 s, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

MCT (MOS- Controlled Thyristor)

El MCT es otro dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el mercado. El símbolo de éste dispositivo se muestra en la figura. Está integrado por 2 MOSFET’s, uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga.

Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). También, todos los MCT’s tienen integrados dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutación.

Entre el ánodo A y el cátodo K existe una estructura pnpn que como ya se mencionó forma la estructura del tiristor del MCT. La región gate – ánodo está formada por más de 105 celdas. Este largo número de celdas provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. Dentro de la región ánodo – gate existen dos MOSFET’s. Uno de ellos es un canal p, tipo pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo npn que es usado para el apagado.


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Existen otras regiones p-pn+ que producen el encendido y el apagado del MCT.

La estructura descrita aquí es muy general y no muestra que solo el 4 por ciento de las celdas que posee el MOSFET sirven para el encendido.

En su operación, si el cátodo K es positivo con respecto al ánodo, no importando la polarización del gate, el MCT va a caer a un voltaje muy bajo, ésta situación debe ser evitada.

Si el ánodo A es positivo con respecto al cátodo K, y no existe un voltaje en le gate, el MCT permanece en estado de apagado hasta que un voltaje de ruptura es alcanzado cuando una avalancha de ruptura ocurre. En la práctica una pequeña corriente de fuga IA leak existe en el estado de bloqueo hasta que la ruptura suceda y el dispositivo se encienda.

Si el ánodo es positivo con respecto al cátodo y un voltaje negativo es aplicado al gate, el MCT se enciende. La caída de voltaje VMCT (ON) es muy pequeña y varía desde 0. 7 V sin carga hasta 1.1 V a plena carga. La corriente de ánodo es limitada solo por el valor de la impedancia de la carga.

Si el MCT está encendido, la aplicación de un voltaje positivo en el gate, regresa al dispositivo al estado de apagado hasta que un voltaje negativo en el gate es aplicado.

Debido a que el tiempo de apagado del MCT es muy bajo (cerca de 1.5 s) y que posee un elevado di/dt (1000 A/s) y dv/dt ( 5000 V/s), éstas características superiores lo convierten en un dispositivo de conmutación ideal y posee un tremendo potencial para aplicaciones en motores de media y alta potencia, así como en distintas aplicaciones en la electrónica de potencia.


Tema: Tiristores

Nro. DD-106

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Referencias(22 de 05 de 2013). Obtenido de http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/16348361/El-Tiristor.html

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Lab. 5 Tiristor