Instituto Tecnologico de Saltillo

Ing. Electrica-Electronica

Curso: Electronica de Potencia Aplicada

Titular: M. en C. Saul Orzua Gonzalez

Manual de Apuntes de Electronica de PotenciaAplicada

Saul Orzua Gonzaleze-mail: sorzua@hotmail.com

Enero de 2015, V2.1

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1. Semiconductores de potencia

Primero que nada, vamos a definir que es un semiconductor de electricidad. Su nombre indicaque es un elemento que conduce parcialmente la electricidad. Por tanto, se puede pensar que unsemicuductor es un material ”semibueno” conduciendo la electricidad; conduce menos electricidadque un conductor, pero mas electricidad que un aislador. Como las resistencias, los semiconductoresconducen electricidad, pero no facilmente. Al igual que las resistencias entre mas corriente hagamospasar por ellos mas se calentaran. Algunos de los materiales semiconductores mas comunes son elsilicio, el germanio y el carbono. Aunque el silicio es el mas utilizado por la industria electronica parala construccion de dispositivos electronicos. Existen los semiconductores extrınsecos o dopaados, loscuales tienen un proceso de dopaje que involucra anadir atomos de impureza, es decir atomos demayor o menor numero de electrones de valencia que los de un semiconductor intrınseco (cuando notiene impuresas como el silicio puro). Los materiales semiconductores como el silicio o el germanio, porlo general son dopados, con atomos trivalentes o pentavalentes para incrementar su conductividad.Existen dos tipos de semiconductores los tipo ”p” y los tipo ”n”. Los semiconductores tipo n, tienenimpuresas de antimonio (Sb), arsenico (As)o fosforo(P) Fig. 1 a). Los semiconductores tipo p tienenimpuresas de alumninio (Al), boro (B) o galio (Ga) Fig. 1 b).

(a) Material tipo n.

Ga

(b) Material tipo p.

Figura 1: Estructura atomica de los materiales tipo n y p.

1.1. Diodos de potencia

Un dispositivo semiconductor muy popular, llamado diodo, se obtiene de la union de dos mate-riales semiconductores, uno tipo p y otro tipo n como se muestra en la Fig. 2. La interseccion delas regiones dopadas forman la denominado union P-N. En Fig. 3 se muestra la estructura internadel encapsulado del diodo en el cual se muestran sus terminales anodo y catodo ası como las obleassemiconductoras.

P N

Unión entrelos materiales

(a) Construccion de un diodocon sus regiones P y N.

(b) Simbolo esquematico deldiodo.

Figura 2: La union P-N y el sımbolo de un diodo.

2

Figura 3: Estructura interna del diodo.

Los diodos como ya se ha mencionado son dispositivos electronicos que se encuentran en diferentestipos de encapsulado. En la Fig. 4 se muestran los diferentes tipos de diodos comerciales que existen enla industria de la electronica. Existen ya en la industria diferentes arreglos comerciales (agrupaciondediodos semiconductores) como lo son los puentes y anillos de diodos Fig. 5.

Figura 4: Diferentes tipos de diodos encapsulados.

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Figura 5: Agrupacion de diodos semiconductores.

1.1.1. Caracterısticas y Parametros

El diodo presenta diferentes comportamientos de voltaje aplicado contra la corriente a traves deel, bajo dos condiciones que son: la polarizacion directa y polarizacion inversa.

Polarizacion directa del diodo: La polarizacion directa de un diodo permite con facilidad elflujo de la corriente a traves de el mismo, en la Fig. 6 se muestra en una representacion la pola-rizacion directa del diodo. En la figura Fig. 7 se muestra la curva caracteristica de voltaje contracorriente de un diodo cuado se encuentra polarizado directamente. Note que el orden de los ejes parala corriente es mili Ampere y para el voltaje esta en el orden de los Volts, el valor de VD para undiodo de silicio normalmente es de 0.7V.

Figura 6: Polarizacion directa de un diodo.

VD

Figura 7: Curva caracterıstica de la polarizacion directa de un diodo.

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Polarizacion inversa del diodo: La polarizacion inversa de un diodo no permite el paso de lacorriente atraves de el mismo, en la Fig. 8 se muestra la polarizacion inversa del diodo. En la figura9 se muestra la curva caracterıstica del voltaje contra la corriente y se aprecia que si hay un voltajeinverso muy alto este conduce pero se nombra que esta saturado. Note que el orden de la corrientees de los micro Ampere y el de el voltaje esta en el orden de los Volts.

-

+

Figura 8: Polarizacion inversa de un diodo.

Figura 9: Curva caracterıstica de la polarizacion inversa de un diodo.

En la Fig. 10 se muestra la curva ideal de un diodo. Cabe mencionar que con fines practicos ası seconsidera el comportamiento de un diodo.

Figura 10: Curva caracterıstica del diodo ideal.

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Tarea 1.- Imprimir la hoja de datos del diodo 1N4001 al 1N4007, solo la hoja de los parametrosmas importantes (sin las curvas caracterısiticas).

Tarea 2.- Realice la simulacion en cualquier software simulador de circuitos electricos conectan-do una resistencia en serie de 47Ω con un diodo 1N4001 conectado a una fuente de voltaje de CDvariable, medir la corriente en el circuito cuando se varıa el voltaje en pasos de 0,2V hasta llegar a 5Vmedir tambien el voltaje en el diodo. Con los datos obtenidos dibujar las curvas en un software comoExcel o Matlab discutir acerca de los resultados obtenidos. Realice lo mismo para la polarizacioninversa hasta llegar a 30 Volts usando pasos de 1V .

Practica 1.- Hacer practica la simulacion anterior con cualquiera de los diodos de la Tarea 1.

1.1.2. Rectificadores monofasicos y polifasicos

En electronica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alternaen corriente continua. Dependiendo de las caracterısticas de la alimentacion en corriente alterna queemplean, se les clasifica en monofasicos, cuando estan alimentados por una fase de la red electrica orectificador trifasico cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificacion, puedenser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa,donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo mas basico de rectificador es el rectificador demedia onda, constituido por un unico diodo entre la fuente de alimentacion alterna y la carga. Elcircuito rectificador de media onda es construido con un diodo ya que este puede mantener el flujode corriente en una sola direccion, se puede utilizar para cambiar una senal de ac a una de dc. Enla figura 11 se muestra un circuito rectificador de media onda. Cuando la tension de entrada espositiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tension deentrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede remplazar por un circuito abierto. Portanto cuando el diodo se polariza en directo, la tension de salida a traves de la carga se puede hallarpor medio de la relacion de un divisor de tension sabemos ademas que el diodo requiere 0.7 voltiospara polarizarse ası que la tension de salida esta reducida en esta cantidad (este voltaje depende delmaterial de la juntura del diodo). Cuando la polarizacion es inversa, la corriente es cero, de maneraque la tension de salida tambien es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durantela mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo ası la mitadde la tension de alimentacion. Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma deonda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversionde las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porcionespositivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir unaforma de onda parcialmente positiva (negativa).

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Figura 11: Rectificador de media onda.

Practica 2.- Realizar el circuito anterior Fig. 11 con un diodo 1N4007 y observar en el oscilos-copio el voltaje de entrada y de salida, donde V1 = 127V CARMS

Vamos a ver ahora el puente de Graetz o puente rectificador de cuatro diodos. En este caso seemplean cuatro diodos con la disposicion de la figura 12. Solo son posibles dos estados de conduccion,o bien los diodos 1 y 3 estan en directa y conducen (tension positiva) o por el contrario son los diodos2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tension negativa). La tension maxima de salida esla del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar losdiodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuracion usualmenteempleada para la obtencion de onda continua.

1

23

4

Figura 12: Rectificador de cuatro diodos o puente de Graetz.

Practica 3.- Realizar el circuito anterior Fig. 12 con diodos 1N4007 y observar en el osciloscopioel voltaje de entrada y de salida.

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Como se ha visto de una manera muy sencilla se puede rectificar una oonda de corriente alternamonofasico con un arreglo muy sencillo de diodos, de igual forma se puede rectificar las ondas trifasi-ca de corriente alterna teniendo un mejor aprovechamiento de potencia y menos riso en la salidarectificada, lo cual nos permite tener un filtro que disipe menos energıa a diferencia de un filtro parauna salida rectificada monofasica. Un rectificador trifasico o convertidor trifasico es un dispositivoelectronico capaz de convertir una corriente alterna de entrada en una corriente continua de salida,mediante dispositivos semiconductores capaces de manejar grandes potencias como diodos, tiristo-res, entre otros. El rectificador trifasico cumple con la misma funcion que un rectificador monofasico,con la diferencia que estos rectificadores son alimentados por fuentes trifasicas, por lo que son maseficientes y pueden manejar grandes potencias, ya que en su salida presentan menor rizado de lasenal. Son utilizados principalmente en la industria para producir voltajes y corrientes continuos quegeneralmente impulsan cargas de gran potencia, como motores DC. A pesar que estos rectificadorespresentan menos rizo que un rectificador convencional, en muchas aplicaciones el factor de potencia yla distorsion armonica total de la lınea se ven afectados, es por ello que se requiere el uso de filtros dearmonicos. Una de las aplicaciones en donde se presenta este fenomeno, es en los enlaces de transmi-sion de alto voltaje (HVDC), en donde las estaciones de conversion cuentan con filtros de armonicosque reducen la distorsion en la senal que producen los convertidores, para que sea transmitida concalidad y no se introduzcan perturbaciones a la red electrica. Un tipo de rectificador trifasico es elrectificador trifasico no controlado, este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo.Se denominan de este modo porque no se puede controlar la potencia de salida, es decir, para unatension fija de entrada la tension de salida es tambien fija. En un circuito rectificador trifasico nocontrolado de 6 pulsos, los diodos se enumeran en el orden de las secuencias de conduccion y cadauno conduce 120. La secuencia de conduccion para los diodos son D5-D6, D1-D6, D1-D2, D3-D2D3-D4, D5-D4 Fig. 13.

Figura 13: Rectificador trifasico.

En un sistema trifasico equilibrado los voltajes de lınea a neutro estan definidos por:

van = Vm sin (ωt) (1)

vbn = Vm sin (ωt−2π

3) (2)

8

vcn = Vm sin (ωt+2π

3) (3)

Los voltajes correspondientes de lınea a lınea son:

vab =√3Vm sin

(

wt+π

6

)

(4)

vbc =√3Vm sin

(

wt−π

2

)

(5)

vca =√3Vm sin

(

wt+5π

6

)

(6)

El voltaje promedio de salida se puede determinar mediante:

VDC =1

π/3

∫ 2π/3

π/3

√3Vm sin(wt)dt (7)

VDC =3√3

πVm (8)

Donde Vm es el voltaje pico de fase o voltaje maximo. En la Fig. 14 se puede observar los voltajesde entrada con el puente trifasico.

Figura 14: Ondas de entrada del rectificador trifasico.

Practica 4.- Hacer practico el puente rectificador trifasico de la Fig. 13 con diodos 1N4007.

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1.1.3. Aplicaciones industriales

Practica 5.- Realizar una fuente de corriente directa utilizando un rectificador de c.a. filtrar lasalida con un capacitor regulable con un LM317.

1.1.4. Alimentacion de motores de c.c.

Practica 6.- Elaborar las conexiones necesarias para alimentar el motor de corriente continua(Ventilador de computador o motor de carrito de juguete), con la fuente elaborada en el punto an-terior.

Miniproyecto I.- Elaborar una fuente de CD regulable (practica 5). Hacer el PCB con gabinete(comprar en steren), poner inciales del nombre y numero de control en la tarjeta. Poner interruptor,fusible y transformadore necesario el voltaje de entrada sera de 127 Vca.

1.2. Transistores de Potencia

El transistor es un componente electronico semiconductor utilizado para producir una senal de sa-lida en respuesta a otra senal de entrada. Cumple funciones de amplificador, dispositivo conmutador(interruptor). El termino transistor es la contraccion en idioma ingles de ”transfer resistor” resis-tencia de transferencia. Actualmente se encuentran practicamente en todos los aparatos electronicosde uso diario: Radio, televisores, reproductor multimedia digital, reproductores de audio y video,computadoras, telefonos celulares, controladores logicos programables, entre otros. Algunos tipos detransistores se muestran en la Fig. 15.

Figura 15: Tipos de encapsulados para transistores.

1.2.1. Tipos de transistor Bipolar (BJT)

El transistor de union bipolar (del idioma ingles Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT)es un dispositivo electronico de estado solido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sı,que permite controlar el paso de la corriente electrica a traves de sus terminales. La denominacionde bipolar se debe a que la conduccion tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dospolaridades (hueco de electron positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran

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numero de aplicaciones. Los transistores bipolares son los transistores mas conocidos y se usangeneralmente en electronica analogica aunque tambien en algunas aplicaciones de electronica digital,como la tecnologıa TTL. Un transistor de union bipolar esta formado por dos uniones PN en un solocristal semiconductor, separados por una region muy estrecha. De esta manera quedan formadas tresregiones:

Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportandose comoun metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como ”emisor” de portadores decarga.

Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.

Colector, de extension mucho mayor.

En la imagen de Fig. 16 se muestra el simobolo de un transistor BJT, donde la letra B es la base, laE es el emisor y la C es el colector.

Figura 16: Simbolo del transistor BJT.

El funcionamiento del transistor se describe a continucacion. En una configuracion normal, launion base-emisor se polariza en directa y la union base-colector en inversa. Debido a la agitaciontermica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base yllegar a la base. A su vez, practicamente todos los portadores que llegaron son impulsados por elcampo electrico que existe entre la base y el colector. Un transistor NPN puede ser consideradocomo dos diodos con la region del anodo compartida. En una operacion tıpica, la union base-emisoresta polarizada en directa y la union base-colector esta polarizada en inversa. En un transistorNPN, por ejemplo, cuando una tension positiva es aplicada en la union base-emisor, el equilibrioentre los portadores generados termicamente y el campo electrico repelente de la region agotadase desbalancea, permitiendo a los electrones excitados termicamente inyectarse en la region de labase. Estos electrones vagan a traves de la base, desde la region de alta concentracion cercanaal emisor hasta la region de baja concentracion cercana al colector. Estos electrones en la baseson llamados portadores minoritarios debido a que la base esta dopada con material P, los cualesgeneran huecos como portadores mayoritarios en la base. La region de la base en un transistordebe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a traves de esta enmucho menos tiempo que la vida util del portador minoritario del semiconductor, para minimizar elporcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la union base-colector. El espesor dela base debe ser menor al ancho de difusion de los electrones. En la figura 17 se muestran las curvascaracteristicas de un transistor.

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Figura 17: Curvas del transistor BJT.

Una forma de medir la eficiencia del BJT es a traves de la proporcion de electrones capaces decruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la region del emisor y el bajo dopaje de la regionde la base pueden causar que muchos mas electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base quehuecos desde la base hacia el emisor. La ”ganancia de corriente emisor comun” esta representada porβF o por hf . Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continuade la base en la region activa directa y es tıpicamente mayor a 100. Otro parametro importante es la”ganancia de corriente base comun”, αF . La ganancia de corriente base comun es aproximadamentela ganancia de corriente desde emisor a colector en la region activa directa. Esta tasa usualmente tieneun valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta estan mas precisamentedeterminados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

αF =ICIE

(9)

βF =ICIB

(10)

βF =αF

1− αF

⇐⇒ αF =βF

βF + 1(11)

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras N y P se refierena los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayorıade los transistores bipolares usados hoy en dıa son NPN, debido a que la movilidad del electrones mayor que la movilidad de los huecos en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes yvelocidades de operacion. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductordopado P (la ”base”) entre dos capas de material dopado N. Una pequena corriente ingresando a labase en configuracion emisor-comun es amplificada en la salida del colector. La flecha en el sımbolodel transistor NPN esta en la terminal del emisor y apunta en la direccion en la que la corrienteconvencional circula cuando el dispositivo esta en funcionamiento activo.

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Figura 18: Simbolo del transistor BJT NPN.

El otro tipo de transistor de union bipolar es el PNP con las letras P y N refiriendose a las cargasmayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en dıason PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeno en la mayorıa de las circunstancias.Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capasde material dopado P. Los transistores PNP son comunmente operados con el colector a masa y elemisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentacion a traves de una carga electricaexterna. Una pequena corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayorcircule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP esta en el terminal del emisory apunta en la direccion en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo esta enfuncionamiento activo.

Figura 19: Simbolo del transistor BJT PNP.

El transistor como interruptor. En la figura Fig. 20 se muestra un circuito en el cual sepueden realizar calculos para tratar al transistor tal como un interruptor de dos posiciones, ya seaabierto o cerrado.

13

+

Figura 20: Circuito para usar al transistor como un interruptor.

El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor se comporta como un interruptor abiertoo cerrado, no permitiendo o permitiendo el flujo de corriente por la carga RL. Cuando Vin es muypequeno, no hay I por la union B-E, con IB=0 no hay IC por lo tanto IL = 0 Con las condicionesanteriores el transistor opera como un interruptor abierto en serie con la carga. Cuando el transistoropera de esta manera se dice que esta cortado o en corte. Para mantener en corte un transistor desilicio Vin debe de ser menor a 0,6V o estar conectado a tierra. Para energizar la carga, el transistordebe de actuar como un transistor cerrado. Esto se consigue elevando el voltaje Vin a un valorsuficientemente alto para llevar al transistor a saturacion. La saturacion de un transistor es aquellaen la que la IC es grande tal que VCC aparezca en las terminales de la resistencia de carga idealmente.Partiendo de la ley de Ohm en la carga tenemos,

IC(sat) =VCC

RL, (12)

Partiendo de la ganancia β vista anterirormente Eq. 10, La IB esta dada por,

IB(sat) =1

βIC(sat) =

VCC

βRL, (13)

a β se le conoce como ganancia de corriente directa. Para cerrar el interruptor (activar al transistoren saturacion) Vin debe de ser suficiente para entregar la IB necesaria de acuerdo con la Ec. 13.Dado que el circuito de base es simplemente una resistencia en serie con la union B-E, Vin se puedecalcular,

Vin = IB(sat)RB + 0,6, (14)

Vin =VCCRB

βRL

+ 0,6, (15)

El valor VBE se esta determinando con un valor de 0,6 en la ecuacion, debido a que se consideraque es un transistor del silicio. Este dato puede ser obtenido en la hoja de datos de cada uno de losdiferente transistores ası como la ganancia β.

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Tarea3.- Reproducir el comportamiento de las curvas anteriores de color rojo Fig. 17 en un si-mulador de circuitos electronicos en un transistor utilice resistencias en la base y de carga para noreproducir corto circuitos en el sistema.

Tarea4 .- Hacer los calculos para prender y apagar con un transistor NPN (2N2222) una lam-para chica tipo arroz de 12V (Steren Modelo: NL-2951) usar en la base una resistencia de 1KΩ.

Practica 7.- Hacer en el laboratorio experimentalente la tarea anterior

1.2.2. Metal Oxido Semiconductor (MOS)

Una estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) es un dispositivo electronico formado por unsustrato de silicio dopado, sobre el cual se hace crecer una capa de oxido. Los elementos se contactancon dos terminales metalicas llamadas sustrato y compuerta. La estructura se compara con un con-densador de placas paralelas, en donde se reemplaza una de las placas por el silicio semiconductordel sustrato, y la otra por un metal, aunque en la practica se usa polisilicio, es decir, un policristalde silicio.

Funcionamiento. La estructura NMOS esta formada por un sustrato de silicio dopado con huecos.Al aplicar un potencial de compuerta positivo, los electrones presentes en el sustrato (portadoresminoritarios) son atraıdos hacia la capa de oxido de compuerta. Al mismo tiempo, los huecos sonrepelidos de la capa de oxido de compuerta debido a que el potencial positivo los aleja. Esto ocasionauna acumulacion de electrones en la cercanıa del oxido, en donde el silicio presenta un exceso deelectrones y por lo tanto es de tipo n. La inversion del dopado en el silicio (que antes era de tipop) es lo que le da origen al nombre de esta region. Tambien se produce una region de agotamientode portadores en las cercanıas del oxido, debido a que los huecos del sustrato se recombinan conlos electrones atraıdos. De manera analoga, una estructura PMOS esta formada por un sustrato desilicio dopado con electrones. Al aplicar un potencial de compuerta negativo, los huecos presentes enel sustrato (portadores minoritarios) son atraıdos hacia la capa de oxido de compuerta. Los electro-nes son repelidos del oxido de compuerta debido a que el potencial negativo los aleja. Los huecos seacumulan en la cercanıa del oxido, en donde el silicio acumula un exceso de huecos y por lo tanto secomporta como un material de tipo p. La recombinacion de huecos y electrones produce una regionde agotamiento. La tension positiva aplicada en la compuerta de una estructura PMOS se distribuyea traves de las capas de materiales de acuerdo con la siguiente ecuacion,

VG = qVFB + Vox + ψs (16)

En donde VG es la tension de compuerta,qVFB es la diferencia de las funciones de trabajo entre el metal y el semiconductor:

qVFB = φMS = φM − φS, (17)

Vox es la caıda de tension en el oxido,ψs es la caıda de tension en el semiconductor

Aplicaciones. La estructura MOS es de gran importancia dentro de los dispositivos de estadosolido pues forma los transistores MOSFET, base de la electronica digital actual. Pero, ademas, es elpilar fundamental de los dispositivos de carga acoplada, CCD, tan comunes en fotografıa. Ası mismo,funcionando como condensador es responsable de almacenar la carga correspondiente a los bits de las

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memorias dinamicas. Tambien se utilizan como condensadores de precision en electronica analogicay microondas.

1.2.3. Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del idioma ingles Insulated Gate Bipolar Transistor)es un dispositivo electronico semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controladoen circuitos de electronica de potencia. Este dispositivo posee la caracterısticas de las senales de puer-ta de los MOSFET (transistores de efecto campo) con la capacidad de alta corriente y bajo voltajede saturacion del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de controly un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitacion del IGBTes como el del MOSFET, mientras que las caracterısticas de conduccion son como las del BJT. Lostransistores IGBT han permitido desarrollos que no habıan sido viables hasta entonces, en particularen los Variadores de frecuencia ası como en las aplicaciones en maquinas electricas y convertidoresde potencia que nos acompanan cada dıa y por todas partes, sin que seamos particularmente cons-cientes de eso: automovil, tren, metro, autobus, avion, barco, ascensor, electrodomestico, television,domotica, Sistemas de Alimentacion Ininterrumpida o Sistema de alimentacion ininterrumpida (enIngles UPS), etc. En la Fig. 21 se muestra el simbolo del IGBT.

Figura 21: Simbolo del IGBT.

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacion de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJTen muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energıa como fuente conmutada,control de la traccion en motores. Grandes modulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colo-cados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de Amperios con voltajesde bloqueo de 6,000 Voltios. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requierede la corriente de base para mantenerse en conduccion. Sin embargo las corrientes transitorias deconmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electronica de potencia esintermedio entre los tiristores y los MOSFET. Maneja mas potencia que los segundos siendo maslento que ellos y lo inverso respecto a los primeros. En la Fig. 22 se muestra el circuito equivalentedel IGBT.

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Figura 22: Circuito equivalente del IGBT.

1.3. Aplicaciones en maquinas electricas

El control de las maquinas electricas requier de diversas tecnicas en las cuales se utilizan loselementos electronicos de potencia para controlar la corriente, el voltaje, la frecuencia entre otrascosas. En esta secccion veremos algunas tecnicas basadas en electronica de potencia para controlarla velocidad de motores de CD o tambien conocidos como CC.

1.3.1. Control de Velocidad de motores de c.c.

La siguiente figura Fig. 23 representa un montaje que se compone de dos transistores apareados,un transistor NPN y otro PNP de caracteristicas practicamente identicas.

+

-

+ -

T1

T2

Figura 23: Circuito servoamplificador de motor de corriente directa.

Los transistores estan polarizados de tal manera; para Vin = 0, VBE1 y la IC1 son nulas en estascondiciones tambien el voltaje de salida Vs es nulo. Como primera aproximacion, se utilizara unacaracterıstica IE = f(VBE) simplificada en la cual el umbral es de 0,6V , cuando la senal Vin essuperior al umbral el transistor uno T1 conduce y el transistor dos T2 esta bloqueado, con estascondiciones el montaje de la figura anterior se puede reducir como se muestra en el Fig. 24.

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+

-

+

T1

Figura 24: Circuito servoamplificador T1 activado.

Practica 8.- Realizar el servoamplificador para motor de CD, utilizar un motor que tenga giropositivo y negativo utilizar el diagrama de Fig. 23 y colocar el motor en lugar de la RL.

1.4. Circuitos de control hibridos (Electronicos y Electromecanicos)

Miniproyecto II.- Con lo visto en esta unidad desarrollar una tarjeta de salidas a relevadorde potencia. Una tarjeta de 4 salidas digitales de potencia a relevador para un microcontrolador. Elvoltaje de salida del sistema digital (micro controlador) podra variar de 3.3Vcd a 5Vcd y no debe deexceder 15mA. Hacer solo el PCB sin gabinete, poner inciales del nombre y numero de control en latarjeta.

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2. Tiristores

El tiristor (del idioma griego puerta) es un componente electronico constituido por elementossemiconductores que utiliza realimentacion interna para producir una conmutacion. Los materialesde los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la quese encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionalesporque solamente transmiten la corriente en un unico sentido. Se emplea generalmente para el controlde potencia electrica. El dispositivo consta de un anodo y un catodo, donde las uniones son de tipoPNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores tıpicos PNP y NPN, por esose dice tambien que el tiristor funciona con tension realimentada. Se crean ası 3 uniones (denominadasJ1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta esta conectado a la union J2 (union NP). Algunasfuentes definen como sinonimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR); otros definenal SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Este elemento fuedesarrollado por ingenieros de General Electric en los anos 1960. Aunque un origen mas remoto deeste dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de fısica en1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Halllidero el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercializacion por parte de Frank W.”Bill”Gutzwiller, de General Electric.

2.1. Caracterısticas y parametros

En la Fig. 25 se muestra algunos tipos de tiristores comerciales. En la Fig. 26 se muestra elsimbolo en general del tiristor.

Figura 25: Diferentes tipos tiristores.

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Figura 26: Simbolo general para los tiristores.

Formas de disparar un tiristor. A continuacion se describen las formas por las cuales untiristor entra en conduccion.

Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, elnumero de pares electron-hueco aumentara pudiendose activar el tiristor.

Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyeccion de una co-rriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y catodo lo activara. Siaumenta esta corriente de compuerta, disminuira el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo enla activacion del dispositivo.

Termica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del numero de pareselectron-hueco, por lo que aumentaran las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la dife-rencia entre anodo y catodo, y gracias a la accion regenerativa, esta corriente puede llegar a ser1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activacion podrıa comprender una fuga termica,normalmente cuando en un diseno se establece este metodo como metodo de activacion, estafuga tiende a evitarse.

Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el anodo hacia el catodo es mayor que el voltajede ruptura directo, se creara una corriente de fuga lo suficientemente grande para que seinicie la activacion con retroalimentacion. Normalmente este tipo de activacion puede danar eldispositivo, hasta el punto de destruirlo.

Elevacion del voltaje anodo-catodo: Si la velocidad en la elevacion de este voltaje es losuficientemente alta, entonces la corriente electrica de las uniones puede ser suficiente paraactivar el tiristor. Este metodo tambien puede danar el dispositivo.

Funcionamiento basico.El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electronico de los interruptoresmecanicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la co-rriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas decorriente. Este principio basico puede observarse tambien en el diodo Shockley. El diseno del tiristorpermite que este pase rapidamente a encendido al recibir un pulso momentaneo de corriente en su

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terminal de control, denominada puerta (o en ingles, gate) cuando hay una tension positiva entreanodo y catodo, es decir la tension en el anodo es mayor que en el catodo. Solo puede ser apagadocon la interrupcion de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corrien-te en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existira una debilcorriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tension inversa maxima, provocandosela destruccion del elemento. Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo,debe generarse una corriente de enganche positiva en el anodo, y ademas debe haber una pequenacorriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la union J2 para hacerque el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desdeel anodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivodejarıa de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Sepuede controlar ası la tension necesaria entre anodo y catodo para la transicion OFF-ON, usando lacorriente de puerta adecuada (la tension entre anodo y catodo dependen directamente de la tensionde puerta pero solamente para OFF-ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito depuerta IG (intensidad de puerta), tanto menor sera la tension anodo-catodo necesaria para que eltiristor conduzca. Tambien se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidadde puerta y la tension anodo-catodo es mayor que la tension de bloqueo.

Aplicaciones.Normalmente son usados en disenos donde hay corrientes o voltajes muy grandes, tambien soncomunmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corrien-te revierte en la conexion o desconexion del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera deforma sıncrona cuando, una vez que el dispositivo esta abierto, comienza a conducir corriente en fasecon el voltaje aplicado sobre la union catodo-anodo sin la necesidad de replicacion de la modulacionde la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No sedebe confundir con la operacion simetrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del catodoal anodo, por tanto en sı misma es asimetrica. Los tiristores pueden ser usados tambien como elemen-tos de control en controladores accionados por angulos de fase, esto es una modulacion por ancho depulsos para limitar el voltaje en corriente alterna. En circuitos digitales tambien se pueden encontrartiristores como fuente de energıa o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptoresautomaticos magneto-termicos, es decir, pueden interrumpir un circuito electrico, abriendolo, cuandola intensidad que circula por el se excede de un determinado valor. De esta forma se interrumpe lacorriente de entrada para evitar que los componentes en la direccion del flujo de corriente quedendanados. La primera aplicacion a gran escala de los tiristores fue para controlar la tension de entradaproveniente de una fuente de tension, como un enchufe, por ejemplo. A comienzo de los 70 se usaronlos tiristores para estabilizar el flujo de tension de entrada de los receptores de television en color.Se suelen usar para controlar la rectificacion en corriente alterna, es decir, para transformar estacorriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores),para la realizacion de conmutaciones de baja potencia en circuitos electronicos. Otras aplicacionescomerciales son en electrodomesticos (iluminacion, calentadores, control de temperatura, activacionde alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas electricas (para acciones controladas tales comovelocidad de motores, cargadores de baterıas), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendidode motores de gas, pantallas electronicas).

Parametros del tiristor.VRDM : Maxima Tension inversa de cebado (VG = 0).VFOM : Maxima tension directa sin cebado (VG = 0).

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IF : Maxima Corriente electrica directa permitida.PG: Maxima disipacion de potencia entre compuerta y catodo.VGT − IGT : Mınima tension o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado.IH : Mınima corriente de anodo requerida para mantener cebado el tiristor (Corriente de sostenimien-to).dv/dt: Maxima variacion de tension sin producir cebado.di/dt: Maxima variacion de corriente aceptada antes de destruir el tiristor.

2.1.1. Rectificador controlado de silicio (SCR)

El rectificador controlado de silicio (en ingles SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo detiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP.El nombre proviene de la union de Tiratron tyratron y Transistor. Un SCR posee tres conexiones:anodo, catodo y gate puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre elanodo y el catodo. Funciona basicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circularla corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tension en la puerta del SCR no seinicia la conduccion y en el instante en que se aplique dicha tension, el tiristor comienza a conducir.Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando encorriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulsode conmutacion ha de ser de una duracion considerable, o bien, repetitivo si se esta trabajando encorriente alterna. En este ultimo caso, segun se atrase o adelante el pulso de disparo, se controlael punto (Sistema monofasico) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemosanular la tension de puerta y el tiristor continuara conduciendo hasta que la corriente de cargadisminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la practica, cuando la onda senoidalcruza por cero). Cuando se produce una variacion brusca de tension entre anodo y catodo de untiristor, este puede dispararse y entrar en conduccion aun sin corriente de puerta. Por ello se dacomo caracterıstica la tasa maxima de subida de tension que permite mantener bloqueado el SCR.Este efecto se produce debido al condensador parasito existente entre la puerta y el anodo. Los SCRse utilizan en aplicaciones de electronica de potencia, en el campo del control, especialmente controlde motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electronico. En la figura 27 semuestran los circuitos equivalentes y las uniones de los materiales del SCR

a) b) c) d)

Ánodo

Cátodo

Compuerta

Ánodo

Cátodo

Compuerta

A

G

K

A

G

K

Figura 27: a) Uniones de materiales P-N para el SCR b) Equivalente de uniones c) Equivalente contransistores d) simbolo del SCR.

El suministro de una cantidad variable y controlada de energıa electrica es necesario para nu-merosas operaciones industriales. Entre las mas comunes se encuentran la iluminacion, el controlde velocidad de un motor, el soldado y la calefaccion electrica. Siempre es posible controlar el su-ministro de energıa electrica entregado a una carga mediante el uso de un transformador variable

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responsable de crear un voltaje de salida secundario variable. Sin embargo, para las especificacionesnominales de alta potencia, los transformadores variables son fısicamente grandes y costosos, ademasnecesitan mantenimiento frecuente. Demasiado para transformadores variables. Otro metodo parael control de la energıa electrica a una carga es la insercion de un reostato en serie con la carga, afin de limitar y controlar la corriente. Nuevamente, especificaciones nominales de alta potencia, losreostatos son grandes, costos, requieren mantenimiento y gastan energıa para arrancar. Los reosta-tos no representan una alternativa recomendable para los transformadores variables en el control depotencia industrial. Desde 1960, ha estado disponible un dispositivo electronico que no adolece deninguna de las fallas mencionadas anteriormente. El SCR es pequeno y relativamente barato, no ne-cesita mantenimiento y su consumo de energıa es mınimo. Algunos SCR modernos pueden controlarcorrientes de varios cientos de amperes en circuitos que operan a voltajes mayores a 1000 V. Porestas razones los SCR son muy importantes en el campo del control industrial moderno. En estaparte analizaremos estos dispositivos. Un SCR actua en gran parte como un interruptor. Cuandose enciende, se presenta unatrayectoria de baja resistencia para el flujo de corriente del anodo alcatodo; despues actua como un interruptor cerrado. Cuando se apaga, no puede fluir corriente delanodo al catodo, entonces actua como un interruptor abierto. Debido a que se trata de un dispositivode estado solido, su accion de conmutacion es muy rapida. El flujo de corriente promedio a una cargase puede controlar al colocar un SCR en serie con la carga. Esta combinacion se muestra en la Fig.28. El voltaje de alimentacion de la Fig. 28 es normalmente una alimentacion de 60 Hz ca, peropuede ser cd, en circuitos especiales. Si el voltaje de alimentacion es ca, el SCR invierte una ciertaparte del tiempo del ciclo ca en el estado encendido y el resto del tiempo en el estado apagado. Parauna alimentacion de 60 Hz ca, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms, el cual se divide entre el tiempotranscurrido en encendido y el tiempo transcurrido en apagado. La compuerta controla la cantidadde tiempo transcurrido en cada estado. La forma como la compuerta realiza esta tarea se describemas adelante. Si transcurre una pequena cantidad de tiempo en el estado encendido, la corrientepromedio transferida a la carga sera pequena, debido a que la corriente puede fluir de la fuente atraves del SCR hacia la carga solo durante una parte del tiempo relativamente corta. Si la senal decompuerta se cambia para provocar que el SCR este encendido durante una parte de tiempo grande,entonces la corriente de carga promedio sera mayor, debido a que ahora la corriente puede fluir dela fuente a traves de SCR hacia la carga durante un tiempo relativamente mas largo. De esta formala corriente a la carga puede modificarse mediante el ajuste de la parte de cada ciclo que el SCResta encendido. Como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador, ası que transfiere corrientesolo durante los medios ciclos positivos de la alimentacion ca. El medio ciclo positivo es el mediociclo en el cual el anodo del SCR es mas positivo que el catodo. Esto significa que el SCR de la Fig.28 no se puede encender por mas de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del tiempo del ciclola polaridad del suministro es negativa, y esta polaridad negativa provoca que el SCR se polariceinversamente, lo cual impide que fluya corriente alguna a la carga.

Figura 28: Relacion de circuito entre el suministro de voltaje, un SCR y la carga.

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Formas de Onda SCR.Los terminos mas utilizados para describir el funcionamiento de un SCR son el angulo de conducciony angulo de retardo de encendido. El angulo de conduccion es el numero de grados de un cicloca, durante los cuales el SCR esta encendido. El angulo de retardo de encendido es el numero degrados de un ciclo ca que transcurren antes de que el SCR se encienda. Por supuesto, estos terminosestan basados en la nocion del tiempo total del ciclo que es igual a 360 grados (360o). La figura 29muestra las formas de onda para un circuito de control SCR para dos diferentes angulos de retardode encendido. Permıtanos interpretar en este momento la figura 29(a). En el momento en que el ciclode ca comienza su alternancia positiva, el SCR se apaga. Por tanto, este tiene un voltaje instantaneoa traves de sus terminales de anodo a catodo equivalente al voltaje de alimentacion. Esto es justolo que se observarıa si se colocara un interruptor abierto dentro del circuito en lugar del SCR. Dadoque SCR bloqueando totalmente el voltaje de alimentacion, el voltaje a traves de la carga (V carga) sera cero durante este tiempo. La forma de onda de la extrema izquierda de la figura 29(a) ilustraeste hecho. Mas a la derecha sobre los ejes horizontales, la figura 29(a) muestra el voltaje de anodoa catodo VAK descendiendo a cero despues de cerca de un tercio del medio ciclo positivo; este es elpunto de 60o. Cuando VAK cae a cero, el SCR se habra disparado o encendido. Por tanto, en estecaso el angulo de retardo de encendido es de 60o. Durante los siguientes 120o el SCR actua como uninterruptor cerrado sin voltaje alguno a traves de sus terminales. El angulo de conduccion es 120o. Lasuma total del angulo de retardo de encendido y el angulo de conduccion siempre es de 180o. La formade onda del voltaje de carga de la figura 29(a) muestra que cuando el SCR se enciende, el voltajede suministro es aplicado a la carga. El voltaje de carga entonces sigue al voltaje de suministro atraves del resto del medio ciclo positivo, hasta que el SCR nuevamente se apaga. El apagado ocurrea medida que el voltaje de suministro atraviesa por cero. En general, estas formas de onda muestranque antes de que el SCR se encienda, el voltaje de suministro completo se bloquea a traves de lasterminales del SCR y la carga observa voltaje cero. Despues de que el SCR se dispara, el voltaje desuministro total cae a traves de la carga, y el SCR cae a voltaje cero. EL SCR se comporta justocomo un interruptor de accion rapida. La figura 29(b) muestra las mismas formas de onda para unangulo de retardo de disparo diferente. En estas formas de onda, el angulo de retardo de disparo esde cerca de 135 y el angulo de conduccion de 45 aproximadamente. La carga observa el voltajede alimentacion durante un tiempo mucho mas pequeno en comparacion con la figura 29(a). Comoresultado, la corriente promedio es mas pequena.

Figura 29: Formas de onda ideales del voltaje principal VAK en las terminales del SCR y del voltajede carga: (a) para un angulo de retardo de disparo de 60o, angulo de conduccion de 120o, (b) paraun angulo de retardo de disparo de aproximadamente 135o, angulo de conduccion de 45o.

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Un SCR es disparado por una pequena rafaga de corriente que se aplica en la compuerta. Estacorriente de compuerta (iG) fluye a traves de la union entre la compuerta y el catodo, y sale delSCR en la terminal del catodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar unSCR en particular se simboliza como IGT . La mayor parte de los SCR necesitan una corriente decompuerta de entre 0.1 y 50 mA para dispararse (IGT = 0,1− 50mA). Dado que existe una union pnestandar entre la compuerta y el catodo, el voltaje entre esas terminales (VGK ) debe ser ligeramentemayor a 0,6V . La figura 30 muestra las condiciones que deben existir en la compuerta para que elSCR se dispare. Una vez que un SCR se ha disparado, no es necesario continuar el flujo corriente decompuerta. Mientras la corriente continue su flujo a traves de las terminales principales, de anodo acatodo, el SCR permanecera encendido. Cuando la corriente de anodo a catodo (iAK) cae por debajode un valor mınimo, llamado corriente de retencion (o sostenimiento), simbolizada IHO , el SCR seapagara. Esto ocurre a menudo cuando el voltaje de alimentacion ca atraviesa cero hacia su regionnegativa. Para la mayorıa de los SCR de tamano mediano, IHO es aproximadamente 10 mA.

Figura 30: Voltaje de la compuerta al catodo (VGK) y corriente de compuerta (iG) necesarios paradisparar un SCR.

Figura 31: SCR con un resistor de 150Ω en la terminal de compuerta y su terminal de catodoconectada a la tierra del circuito.

Tarea 5.- Para el circuito de la figura 31, ¿que voltaje se requiere en el punto X para dispararel SCR? La corriente de compuerta necesaria para disparar un 2N3669 es 20 mA bajo condicionesnormales.

Practica 9.- Hacer el disparo del SCR colocando una lampara de 12V tipo arroz como carga yun potenciometro en serie con esta, disparar con un boton en la compuerta.

2.1.2. TRIAC

En terminos generales, los triacs son parecidos a los SCR, con excepcion de que los primerospueden transportar corriente en cualquier direccion. Tanto los triacs como los SCR son miembros

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de la familia de los tiristores. El termino tiristor abarca todos los dispositivos semiconductores quemuestran un comportamiento de ENCENDIDO-APAGADO inherente, contrario a permitir el cam-bio gradual en la conduccion. Todos los tiristores son dispositivos de conmutacion regenerativos queno puede funcionar de una manera lineal. Por tanto, un transistor no es un tiristor debido a que, apesar de que puede operar como ENCENDIDO-APAGADO, esta no constituye su naturaleza inhe-rente; para un transistor es posible operar de modo lineal. Algunos tiristores pueden ser conmutadosal estado ENCENDIDO, como vimos anteriormente para los SCR. En este aspecto los triacs sonsemejantes. Otros tiristores no se pueden conmutar a ENCENDIDO, pero se encienden cuando losvoltajes aplicados alcanzan un cierto valor de rompimiento. Los diodos de cuatro capas y los diacsson ejemplos de este tipo de tiristor. Los tiristores pequenos que no conmutan la corriente de cargaprincipal se denominan por lo general dispositivos de rompimiento, termino que utilizaremos en estetexto. Son de utilidad en el circuito de disparo de compuerta para un tiristor de conmutacion depotencia de carga mas grande, como un triac. En esta parte analizaremos los tiristores de dispositivode rompimiento mas pequenos, ası como los triacs. Un triac es un dispositivo de tres terminalesusado para controlar la corriente promedio que fluye a una carga. Un triac se diferencia de un SCRen que este puede conducir corriente en cualquier direccion cuando esta en ENCENDIDO. El sımbo-lo esquematico de un triac se muestra en la figura 32(a), junto con los nombres y abreviaturas desus terminales. Cuando el triac esta en APAGADO, no puede fluir corriente entre las terminalesprincipales sin importar la polaridad del voltaje aplicado externamente. En consecuencia el triacactua como un interruptor abierto. Cuando el triac esta en ENCENDIDO, existe una ruta de flujode corriente de baja resistencia de una terminal hacia la otra, con la direccion del flujo dependiendode la polaridad del voltaje externamente aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, lacorriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es mas positivo en MT1, la corriente fluye de MT1a MT2. En cualquier caso el triac actua como un interruptor cerrado. La relacion de circuito entreel voltaje de alimentacion, el triac y la carga se ilustra en la figura 32(b). Un triac se coloca en seriecon la carga justo como un SCR, como esta figura muestra. La corriente promedio suministrada a lacarga se puede variar mediante el cambio de la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permaneceen su estado ENCENDIDO. Si permanece una pequena parte de tiempo en el estado ENCENDIDO,el flujo de corriente promedio durante muchos ciclos sera bajo. Si una parte considerable del tiempodel ciclo transcurre en el estado ENCENDIDO, entonces la corriente promedio sera alta. Un triac noesta limitado a 180o de conduccion por ciclo. Con la distribucion de disparo apropiada, puede condu-cir durante 360o completos por ciclo. Por tanto, proporciona control de potencia de onda completaen lugar del control de potencia de media onda posible con un SCR. Los triacs tienen las mismasventajas que los SCR y los transistores sobre los interruptores mecanicos. No tienen rebote de con-tacto, no forman arcos a traves de contactos parcialmente abiertos, y operan mucho mas rapido quelos conmutadores mecanicos, por tanto producen un control de corriente mas preciso.

Figura 32: (a) Sımbolo esquematico y nombres de terminales de un triac. (b) Circuito triac quemuestra la forma en que estan conectados el voltaje de alimentacion, la carga y el triac.

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Formas de onda del TRIACLas formas de onda del triac son muy similares a las formas de onda del SCR a excepcion de quepueden disparar en el medio ciclo negativo. La figura 33 muestra las formas de onda tanto del voltajede carga como del voltaje de triac (a traves de las terminales principales) para tres condicionesdiferentes. Las formas de onda de la figura 33(a) muestra el triac APAGADO durante los primeros30o de cada medio ciclo; durante estos 30o el triac actua como un interruptor abierto. En este lapsode tiempo el voltaje completo de lınea cae a traves de las terminales principales del triac, sin voltajeaplicado a la carga. Por tanto, no existe un flujo de corriente a traves del triac o la carga. La partedel medio ciclo durante el cual esta situacion existe se denomina angulo de retardo de disparo, justocomo sucedio para un SCR. Tambien en la figura 33(a), despues de que han transcurrido 30o, el triacse dispara o se enciende, y se vuelve como un interruptor cerrado. En este instante el triac comienzaa conducir corriente a traves de sus terminales principales y de la carga, y continua transportandocorriente de carga durante lo que resta del medio ciclo. La parte del medio ciclo durante la cual eltriac se enciende se denomina angulo de conduccion. El angulo de conduccion en la figura 33(a) es de150o. Las formas de onda muestran que durante el angulo de conduccion el voltaje de la lınea enterose aplica a la carga, con la aparicion del voltaje cero a traves de las terminales principales del triac.La figura 33(b) muestra las mismas formas de onda con un angulo de retardo de disparo mas amplio.El angulo de retardo es de 120o y el angulo de conduccion es de 60o en la figura 33(b). Dado que lacorriente fluye durante una menor parte del ciclo total en este caso, la corriente promedio sera menorque lo que fue para la condicion de la figura 33(a). Por tanto, se transfiere menos potencia de la fuentea la carga. Los triacs, como los SCR y como la mayorıa de los demas dispositivos semiconductores,muestran variaciones notoriamente amplias en sus caracterısticas electricas. Este problema es enespecial evidente con los triacs debido a que a menudo sucede que los requerimientos de disparo sondistintos para las dos polaridades diferentes de voltaje de alimentacion. La figura 33(c) muestra lasformas de onda que ilustran este problema. La forma de onda de triac de la figura 33(c) muestra unangulo de retardo mas pequeno en el medio ciclo positivo que en el medio ciclo negativo debido a latendencia del triac de dispararse mas facilmente en el medio ciclo positivo. Otro triac del mismo tipopodrıa tener la tendencia de activarse mas facilmente en el mediociclo negativo; en ese caso el angulode retardo negativo serıa mas pequeno. Algunas veces ese comportamiento de disparo inconsistenteno se puede tolerar.

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Figura 33: Formas de onda del voltaje de terminal principal y voltaje de carga del triac para trescondiciones diferentes. (a) El retardo de disparo es igual a 30o tanto para el medio ciclo positivo comopara el medio ciclo negativo. (b) El retardo de disparo es igual a 120o para ambos medios ciclos. (c)Angulos de retardo de disparo desiguales para los medios ciclos positivo y negativo. Esto es, por logeneral, indeseable.

Caracterısticas electricas de los TRIACSCuando un triac esta polarizado con un voltaje externo mas positivo en MT2 (llamada polarizacionde terminal principal directa o positiva), por lo general se activa mediante un flujo de corriente dela compuerta hacia MT1. Las polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes de estecaso se muestran en la figura 34(a). Cuando un triac esta polarizado como lo muestra la figura 34(a),el disparo es identico al disparo de un SCR. La terminal G es positiva con respecto a MT1, lo queocasiona que la corriente de disparo fluya hacia el interior del dispositivo en la terminal de compuertay hacia fuera del dispositivo en la terminal MT1. El voltaje de compuerta necesario para disparar untriac se simboliza como VGT , la corriente de compuerta necesaria para el disparo se simboliza comoIGT . La mayorıa de los triac de tamano medio tienen un VGT de aproximadamente 0.6 a 2.0 V y unIGT de 0.1 a 20 mA. Como es habitual, estas caracterısticas varıan bastante segun los cambios detemperatura. Las variaciones tıpicas en las caracterısticas electricas con la temperatura se graficanen las hojas de especificacion del fabricante. Cuando el triac esta polarizado mas positivamente enMT1 (llamada polarizacion inversa o negativa de terminal principal), como muestra la figura 34(b),a menudo el disparo se logra enviando la corriente de compuerta al interior del triac en la terminalMT1 y fuera del triac en la terminal G. El voltaje de compuerta sera negativo con respecto a MT1para lograr esto. Las polaridades de voltaje y direcciones de corriente para invertir la polarizacionde terminal principal se ilustran en la figura 34(b). Para un triac individual en especial, el IGT parala polarizacion directa de terminal principal puede ser bastante diferente de IGT para la polarizacion

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inversa de terminal principal. Sin embargo, si se consideran muchos triacs del mismo tipo, el IGT

para la polarizacion directa de terminal principal sera igual a IGT para la polarizacion inversa determinal principal. Al igual que un SCR, un triac no requiere una corriente de compuerta continuauna vez que ha sido disparado. Permanecera en estado encendido hasta que la polaridad de la termi-nal principal cambie o hasta que la corriente de terminal principal caiga por debajo de la corrientede sostenimiento IHO . La mayorıa de los triacs de tamano medio tienen un valor nominal de IHO

menor a 100 mA.

Otras caracterısticas electricas importantes que aplican a los triacs son:

(1) la corriente rms de terminal principal maxima permitida, IT rms

(2) el voltaje de rompimiento, VDROM

que es el voltaje pico de terminal principal mas alto que el triac puede bloquear en cualquier direc-cion. Si el voltaje instantaneo aplicado de MT2 a MT1 debe exceder VDROM , el triac entrara enrompimiento y comienza a dejar pasar la corriente de terminal principal. Esto no dana al triac, perorepresenta una perdida de control de compuerta. A fin de evitar un rompimiento, el triac debe tenerun valor nominal VDROM mayor que el valor pico del voltaje ca que acciona el circuito. Los valoresnominales mas populares de VDROM para los triacs son 100, 200, 400 y 600 V. Para muchos fabri-cantes la secuencia disponible de valores nominales ITrms es 1, 3, 6, 10, 15 y 25 A. Los fabricantes detriacs tambien emplean otras secuencias. Otro valor nominal electrico importante que se proporcionaen las hojas de especificacion de los fabricantes es VTM , el voltaje de estado encendido a traves delas terminales principales. Idealmente, el voltaje de estado encendido debe ser 0 V, pero VTM por logeneral cae entre 1 y 2 V para triacs reales, lo mismo que para los SCR. Un valor nominal bajo deVTM es preferible debido a que significa que el triac replica cercanamente la accion de un interruptormecanico, aplicando el voltaje de alimentacion completo a la carga. Tambien significa que el triac ensı mismo consume muy poca energıa. La energıa consumida en un triac esta dada por el producto dela corriente de terminal principal y el voltaje de terminal principal. Una alta disipacion de energıano es aconsejable desde el punto de vista de proteccion del triac de altas temperaturas y tambiendesde el punto de vista de una transferencia economica de energıa de la fuente a la carga.

Figura 34: (a) Situacion cuando un triac tiene polarizacion directa de terminal principal. Por logeneral, la corriente de compuerta y el voltaje de compuerta tendrıan las polaridades indicadas. (b)La situacion en un punto diferente en el tiempo en que el triac esta polarizado inversamente. Por logeneral, la corriente de compuerta y el voltaje tambien estan invertidos.

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Practica 10.- Hacer el disparo del TRIAC colocando una lampara de 12V tipo arroz como cargay un potenciometro en serie con esta, disparar con un boton en la compuerta.

2.1.3. DIAC

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Esun diodo bidireccional disparable que conduce la corriente solo tras haberse superado su tension dedisparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor caracterıstico para ese dispositivo. Elcomportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayorıade los DIAC tienen una tension de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamientoes similar a una lampara de neon. Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente paradisparar los triac, otra clase de tiristor. Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamadosanodo y catodo. Actua como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entresus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts segun lareferencia.

Existen dos tipos de DIAC:

DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexion de base y con las regionesde colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta quese alcanza la tension de avalancha en la union del colector. Esto inyecta corriente en la baseque vuelve el transistor conductor, produciendose un efecto regenerativo. Al ser un disposi-tivo simetrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector susfunciones.

DIAC de cuatro capas: Consiste en dos diodos Shockley, lo que le da la caracterıstica bidirec-cional. En la siguiente imagen Fig. 35 se muestra el simbolo del DIAC.

Figura 35: Simbolo del DIAC.

2.1.4. UJT

El transistor monounion (UJT) es un dispositivo de conmutacion de transicion conductiva. Suscaracterısticas lo hacen ser muy util en varios circuitos industriales que incluyen temporizadores,osciladores, generadores de formas de onda y, lo que es mas importante, en circuitos de control decompuertas para SCR y triacs. En este capıtulo presentaremos las caracterısticas operativas y lateorıa sobre los UJT ası como ejemplos de uso de tales circuitos.

Disparo de un UJT

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El UJT es un dispositivo de tres terminales, las cuales se denominan como emisor, base 1 y base 2. Elsımbolo esquematico y las ubicaciones de las terminales se muestran en la figura 36(a). No es buenaidea tratar de relacionar mentalmente los nombres de las terminales del UJT con los nombres de lasterminales del transistor bipolar comun. Desde el punto de vista de la operacion del circuito, no existeanalogıa entre el emisor de un UJT y el emisor de un transistor bipolar. Lo mismo sucede para larelacion entre las terminales de base del UJT y la terminal base del transistor bipolar. Efectivamente,estos nombres de terminal tienen sentido desde un punto de vista interno que considera la accion delos portadores de carga, pero la accion de portacion de carga interna no es un asunto importantepara nosotros. En terminos simples, el UJT opera de la siguiente forma. Vea la figura 36(b).

1. Cuando el voltaje entre el emisor y la base 1, VEB1 , es menor que un cierto valor denominadovoltaje pico, Vp , el UJT esta apagado, y no puede fluir corriente de E a B1 (IE = 0).

2. Cuando VEB1 excede a Vp , en una pequena cantidad, el UJT se dispara o se enciende.Cuando esto sucede, el circuito de E a B1 se convierte en practicamente un circuito cerrado yla corriente empieza a surgir de una terminal hacia la otra. En virtualmente todos los circuitosUJT, la rafaga de corriente de E a B1 es fugaz y el UJT rapidamente se revierte de regreso ala condicion de apagado.

Como lo muestra la figura 36(b), se aplica un voltaje cd externo entre B2 y B1, siendo B2 la terminalmas positiva. El voltaje entre las dos terminales de base se simboliza mediante VB2B1 , como se indica.Para una tipo dado de UJT, el voltaje pico V p sera un cierto porcentaje fijo de VB2B1 mas 0.6 V.Este porcentaje fijo se denomina el coeficiente de separacion intrınseco, o simplemente coeficiente deseparacion del UJT, y se simboliza como η. Por esto el voltaje pico de un UJT puede escribirse como,

Vp = ηVB2B1 + 0,6 (18)

donde 0.6 V es el voltaje directo de encendido a traves de la union de silicio pn que existe entreel emisor y la base 1. Observe nuevamente el circuito de la figura 36(b). El capacitor comenzarıa acargarse mediante el resistor RE en el instante en que el interruptor se cierra. Dado que el capacitoresta conectado directamente entre E y B1, cuando el voltaje del capacitor alcance 11.6 V el UJTse disparara (suponiendo que η = 0,55. Esto permitira que la acumulacionde carga sobre las placasde CE se descargue rapidamente a traves del UJT. En la mayorıa de las aplicaciones de UJT, estarafaga de corriente de E a B1 representa la salida del circuito. La rafaga de corriente puede utilizarsepara disparar un tiristor, encender un transistor o simplemente desarrollar un voltaje a traves de unresistor insertado en la terminal de base 1.

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Figura 36: (a) Sımbolo esquematico y nombres de terminales de un UJT. (b) Un UJT conectadodentro de un circuito simple. Este diagrama muestra la corriente de emisor (IE ),el voltaje emisor abase 1 (VEB1 ) y el voltaje base 2 a base 1 (VB2B1).

Tarea 6.- Si el UJT de la figura 36(b) tiene un coeficiente de separacion de η = 0,55 y un voltajeaplica- do externamente VB2B1 de 20 V, ¿cual es el voltaje pico?

2.2. Control de fase

Ejemplo de un circuito de disparo muy simple para un SCR

Figura 37: Un circuito de disparo muy simple para un SCR.

Cuando se cierra SW, existira corriente hacia la compuerta cuando el voltaje de alimentacion pasea positivo. El angulo de retardo de disparo lo determina el valor de R2 , la resistencia variable. Si R2

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es baja, la corriente de compuerta sera suficientemente grande para disparar el SCR cuando el voltajede alimentacion sea bajo. Por tanto, el angulo de retardo de disparo sera pequeno, y la corriente decarga promedio sera grande. Si R2 es alta, el voltaje de alimentacion debe ascender mas alto parasuministrar suficiente corriente de compuerta para disparar el SCR. Esto incrementa el angulo deretardo de disparo y reduce la corriente de carga promedio. El proposito de R1 es mantener ciertaresistencia fija en la terminal de la compuerta aun cuando R2 se ajuste a cero. Esto es necesario paraproteger la compuerta de corrientes excesivas. R1 tambien determina el angulo mınimo de retardode disparo. En algunos casos se inserta un diodo en serie con la compuerta para proteger la unioncompuerta-catodo en contra de voltajes inversos altos. Una desventaja de este simple circuito dedisparo es que el angulo de retardo de disparoes ajustable solo desde aproximadamente 0o a 90o.Esto se puede comprender mediante la figura 38, la cual muestra que la corriente de compuertatiende a ser una onda senoidal en fase con el voltaje a traves del SCR. En la figura 38(a), iG apenasalcanza a IGT , la corriente de compuerta necesaria para disparar el SCR. Bajo esta circunstanciael SCR se dispara a 90o dentro del ciclo. Se puede ver que si iG fuera mas pequena, el SCR en loabsoluto se dispararıa. Por tanto, los retardos de disparo por encima de 90o no son posibles con talcircuito de control de compuerta. En la figura 38(b), iG es un poco mas grande. En este caso, iGalcanza a IGT relativamente temprano en el ciclo, lo que ocasiona que SCR se dispare antes. Se debeentender que las formas de onda iG de la figura 38 son ideales. Tan pronto como el SCR de la figura37 se dispare, el voltaje del anodo a catodo cae casi a cero (en realidad de 1 a 2 V para la mayorıade los SCR). Dado que el voltaje de compuerta se deriva del voltaje de anodo a catodo, tambiencae virtualmente a cero, cortando la corriente de compuerta. Ademas, dado que la compuerta espolarizada inversamente cuando la alimentacion ca es negativa, en realidad no existe corriente decompuerta negativa. En realidad entonces, la curva iG es una onda senoidal en fase con el voltaje dealimentacion solo en la region entre 0o y el punto de disparo. En las otras ocasiones iG es cercana acero. Falta un punto mas por mencionar. Antes del disparo, la forma de onda VAK es virtualmenteidentica a la forma de onda de alimentacion ca, debido a que la caıda de voltaje a traves de la cargaen la figura 37 es insignificante antes del disparo. El voltaje en la carga es tan pequeno debido aque la resistencia de carga en tales circuitos es mucho mas baja que la resistencia en el circuito decontrol de compuerta. La resistencia de carga es casi siempre menor a 100 Ω y a menudo menor a10Ω. La resistencia fija en el circuito de control de compuerta es por lo general de varios miles deohms. Cuando estas dos resistencias estan unidas en serie, como lo estan antes del disparo, el voltajea traves de la pequena resistencia de carga es naturalmente muy bajo. Esto ocasiona que casi elvoltaje de alimentacion completo aparezca a traves de las terminales del SCR.

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Figura 38: Formas de ondas ideales del voltaje principal en las terminales y de la corriente decompuerta del SCR. La lınea punteada representa la corriente de compuerta necesaria para dispararal SCR (IGT ). (a) La corriente de compuerta es baja, lo que produce un angulo de retardo de disparode alrededor de 90o. (b) La corriente de compuerta es mayor,lo que produce un angulo de retardo dedisparo de cerca de 0o.

Tarea 7.- Para la figura 37, asuma que la alimentacion es de 115 V rms, IGT = 15mA, yR1 = 3KΩ. Se pretende que el retardo de disparo sea de 90o. ¿Aque valor se debe ajustar R2 ?

Practica 11.- Hacer el control de fase para una lampara puramente resistiva de 60 Watts a 127Vca. con un SCR

Circuito de control de compuerta RC de un TRIACEl circuito de disparo de triac mas simple se muestra en la figura 39(a). En la figura 39(a), el capacitorC se carga a traves de R1 y R2 durante la parte del angulo de retardo de cada medio ciclo. Durante unmedio ciclo positivo, MT2 es positivo con respecto a MT1 y Cse carga positivo en su placa superior.Cuando el voltaje en C se acumula hasta un valor suficientemente grande para suministrar suficientecorriente de compuerta (IGT ) a traves de R3 para disparar el triac, este se dispara. Durante un mediociclo negativo, C se carga negativo en su placa superior. Nuevamente, cuando el voltaje a traves delcapacitor es lo bastante grande para suministrar corriente suficiente de compuerta en la direccioninversa a traves de R3 para disparar el triac, este se dispara. El ritmo de carga del capacitor C seestablece por medio de la resistencia R2 . Para una R2 grande, la velocidad de carga es lenta, loque produce un retardo de disparo largo y una corriente de carga promedio pequena. Para una R2

pequena, la velocidad de carga es rapida, el angulo de retardo de disparo es pequeno y la corrientede carga es alta.

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Figura 39: (a) Circuito simple de control de compuerta (circuito de disparo) para un triac. El poten-ciometro R2 ajusta al retardo de disparo. (b) Circuito de control de compuerta mejorado,que permiteun rango mas amplio de ajuste del retardo de disparo.

Tarea8.- Realizar el circuito de Control de fase parecido al anterior del SCR pero con TRIAC

Practica 12.- Hacer el control de fase para una lampara puramente resistiva de 60 Watts a 127Vca. con un TRIAC

2.3. Relevadores de estado solido

Temporizador UJT para relevador. En la figura 40 se presenta un ejemplo de un circuitotemporizador de UJT que proporciona el retardo de tiempo para activar un relevador. En este circuito,se aplica alimentacion a la carga cuando el relevador CR se activa. Esto ocurrira un cierto tiempo(ajustable) despues que SW1 se cierre. El retardo de tiempo se ajusta mediante el ajuste de RE .El circuito trabaja de la siguiente forma. Cuando SW1 se cierra y se aplican 24 V a R3 , comienzaa fluir una pequena cantidad de corriente hacia la bobina del relevador CR. R3 esta dimensionadode forma que esta corriente no sea lo suficientemente grande como para activar la bobina, pero quesea lo suficientemente grande para mantenerla energizada una vez que ya haya sido activada. Estoes posible dado que la corriente de retencion para una bobina de relevador es por lo general de lamitad de la corriente de activacion. Es decir, una bobina de relevador requerira una corriente de0.5 A para realmente desplazar la armadura y la conmutacion de contactos podrıa necesitar solode 0.25 A para mantener el cierre de contactos. El capacitor de 20µF CE se carga mediante REF

y el potenciometro de 1MΩ REV , a un ritmo especificado por la configuracion de REV . CuandoCE alcanza un voltaje suficientemente grande, el UJT se dispara, y el capacitor se descarga a travesde la bobina del relevador CR. Esto sera suficiente para energizar la bobina y activar a CR. Elpulso de corriente en la bobina cesara casi inmediatamente, pero ahora la corriente a traves de R3

sera suficiente para mantener la bobina energizada. El contacto CR N.A. cerrara y aplicara energıaa la carga. El retardo de tiempo estara dado por la ecuacion 19:

t = (REF +REV )CE (19)

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Figura 40: Circuito temporizador de UJT. El relevador CR se activa cierto tiempo despues de quecierra el interruptor. El retardo de tiempo puede variarse mediante el potenciometro REV

2.4. Aplicaciones de sistemas mecatronicos

Tarea 9.- Disenar la etapa de potencia y control de un circuito para arrancar un motor mo-nofasico al cerrar un switch con retardo de 2 segundos.

Practica 13.- Realizar practica la tarea anterior.

2.4.1. Control de un motor de c. a. polifasico y modulos de potencia para control demotores

Tarea 10.- Disenar un circuito de arranque y paro de un motor con dos botones momentaneosutilizando lo que sabe de electronica digital y microcontroladores y disenar la etapa de potecia conretardo en el arranque de 3 segundos (hacer el relevador con temporizador no usar temporizador demicrocontrolador).

Mini Proyecto III.- Realizar la practica experimental de la tarea anterior, entregar en gabine-te y tarjeta de circuito impreso como si se fuera a vender a un usuario fial. Realizar el PCB porcomputadora. Poner inciales del nombre y numero de control en la placa.

Mini Proyecto IV.- Disenar y elaborar un probador de sondas para osiloscopio, transistores bjtpnp y npn, SCRs y TRIACs, en un gabinete (comprar en steren), con conector BNC, terminales ade-cuadas a cada dispositivo, leds indicadores, interruptores, selectores. Ademas poner dos jack bananapara probar continuidad en cables. La alimentacion se desea a 127VCA, fusibles en el lado primario ysecundario del transformador. Relizar el PCB por computadora. Poner iniciales y numero de controlen la placa. (Este proyecto sera elaborado por equipo de 4 personas)

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Referencias

[1] Timothy J. Maloney ELECTRONICA INDUSTRIAL MODERNA, 2006 por Pearson Educa-cion de Mexico, S.A. de C.V. Paginas: 1000.

[2] Rito Mijarez Castro Electronica, Grupo Editorial Patria 1a. Edicion, Mexico 2014 Paginas:400.

[3] http://es.wikipedia.org

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