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Tiristores, características, aplicaciones y funcionamiento.

Los tiristores, SCR, TRIAC, DIAC, y otros más.

fioratti17@hotmail.com

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Tiristores, características, aplicaciones y funcionamiento.

  1. 1. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICAPLANTEL ZACATENCOINGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICADISPOSITIVOSTIRISTORESTEORÍA Y APLICACIONESGrupo:5CV5Alumno:Salguero Fioratti José LuisProfesor:Jorge Orozco SantamaríaMAYO DE 2013
  2. 2. 1ÍNDICE - - - - - - 1INTRODUCCIÓN - - - - - - 2Definición - - - - - - 2Funcionamiento básico - - - - - - 2Fabricación - - - - - - 2Aplicaciones - - - - - - 3Formas de activar un tiristor - - - - - - 4DIODO SHOCKLEY - - - - - - 6Operación - - - - - - 7Condiciones de conmutación - - - - - - 7Ejemplo - - - - - - 8SCR (Rectificador Controlado de Silicio) - - - - - 9Operación - - - - - 10Condiciones de conmutación - - - - - 10Ejemplo - - - - - - 11GTO (Interruptor por Control de Puerta) - - - - 12Operación - - - - - - 13Condiciones de conmutación - - - - - - 13Ejemplo - - - - - - 14SCS (Conmutador Controlado de Silicio) - - - - - 15Operación - - - - - - 16Condiciones de conmutación - - - - - - 16Ejemplo - - - - - - 17DIAC (Diodo de Corriente Alterna) - - - - - - 18Operación - - - - - - 19Condiciones de conmutación - - - - - - 19Ejemplo - - - - - - 20TRIAC (Triodo de Corriente Alterna) - - - - - 21Operación - - - - - - 22Condiciones de conmutación - - - - - - 22Ejemplo - - - - - - 23Otros Tiristores - - - - - - 24SCR Activado por luz - - - - - - 24SBS Conmutador Bilateral de Silicio - - - - - - 24Bibliografía - - - - - - 25
  3. 3. 2INTRODUCCIÓNDefinición.Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de varias capasque presentan una acción de conmutación biestable, debido a su inherenterealimentación regenerativa. Los materiales de los que se componen son detipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que seencuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. En sugran mayoría son dispositivos unidireccionales porque solamente transmitenla corriente en un único sentido aunque existen combinaciones de ellos queconectados de forma anti paralela se comportan de manera bidireccional,esto quiere decir que la corriente puede viajar a través de ellos en dossentidos distintos. Se emplea generalmente para el control de potenciaeléctrica.Funcionamiento básico.El tiristor es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; portanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el pasode la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces desoportar grandes sobrecargas de corriente.El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido alrecibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control,denominada puerta (o en inglés, gate), a medida que aumenta la corriente depuerta se desplaza el punto de disparo.Fabricación.Técnica de Difusión-Aleación:La parte principal del tiristor está compuesta por un disco de silicio dematerial tipo N, 2 uniones se obtienen en una operación de difusión congalio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del disco. En la caraexterior se forma una unión, con un contacto oro-antimonio. Los contactosdel ánodo y cátodo se realizan con molibdeno. La conexión de puerta se fija a
  4. 4. 3la capa intermedia (tipo P) usando aluminio. Esta técnica se usa solamentepara dispositivos que requieren gran potencia.Técnica "Todo Difusión":Se trata de la técnica más usada, sobre todo en dispositivos de mediana obaja intensidad, el problema principal de esta técnica reside en los contactos,cuya construcción resulta más delicada y problemática que en el caso dedifusión-aleación. Las 2 capas P se obtienen por difusión del galio o elaluminio, mientras que las capas N se obtienen mediante el sistema demáscaras de óxido. El problema principal de este método radica en lamultitud de fases que hay que realizar. Aunque ciertas técnicas permitenparalelizar este proceso.Técnica de Barrera Aislante:Esta técnica es una variante de la anterior. Se parte de un sustrato de siliciotipo N que se oxida por las dos caras, después en cada una de las 2 caras sehace la difusión con material tipo P. Una difusión muy duradera y a altastemperaturas produce la unión de las 2 zonas P. Después de este proceso seelimina todo el óxido de una de las caras y se abre una ventana en la otra, serealiza entonces en orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P.Después de una última difusión N el tiristor ya está terminado a falta deestablecer las metalizaciones, cortar los dados y encapsularlos.AplicacionesNormalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muygrandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alternadonde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión odesconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de formasíncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducircorriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin lanecesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento eldispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debeconfundir con la operación simétrica, ya que la salida en la mayoría como semencionó anteriormente es unidireccional y va solamente del cátodo alánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
  5. 5. 4Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control encontroladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación porancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente deenergía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptoresautomáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuitoeléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de undeterminado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada paraevitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente quedendañados.La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar latensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe,por ejemplo. A comienzo de los ‘70 se usaron los tiristores para estabilizar elflujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir,para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en estepunto los tiristores onduladores o inversores), para la realización deconmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos.Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación,calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad deventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales comovelocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores(aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas,entre otros).Formas de activar un tiristor.Luz:Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismosilicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar eltiristor.
  6. 6. 5Corriente de Compuerta:Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente decompuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará.Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueodirecto, revirtiendo en la activación del dispositivo.Térmica:Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número depares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con locual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acciónregenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse.Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmentecuando en un diseño se establece este método como método de activación,esta fuga tiende a evitarse.Alto Voltaje:Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje deruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grandepara que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipode activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.Elevación del voltaje ánodo-cátodo:Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta,entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar eltiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.
  7. 7. 6DIODO SHOCKLEYNombre OficialIEC*Tiristor Diodo de Bloqueo Inverso(Reverse Blocking Diode Thyristor)Nombre Común Diodo ShockleyNúmero de Capas 4, 3 unionesNúmero de Terminales 2Disparo Principal Mediante Tensión más alta que la de ruptura delánodoValores Máximos Disponibles 400v, 300Apico de impulsoPrincipales Aplicaciones Disparador SCR, circuitos detemporización, generadores de impulsosUnidireccional / Bidireccional Unidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  8. 8. 7OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNEl diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido porcuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como interruptor:está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierray permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce pordebajo de un valor específico.Donde:IMAX – Corriente máximaque acepta el dispositivoen conducciónIH – Corriente desostenimientoVBO – Voltaje a partir delcual el dispositivo entraen conducciónVRB – Voltaje de ruptura Cuando se polariza inversamente ánodo-cátodo. La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor negativoque supere al voltaje de ruptura VRB o bien si se supera lacorriente máxima IMAX. Siempre que no se supere IH. Polarizado directamente ánodo-cátodo y superando a VBO,hecho esto, no disminuir la corriente de sostenimiento IH.
  9. 9. 8EJEMPLOEl diodo mostrado tiene una tensión de cebado (VB = VBO) de 10v. Si la tensiónde entrada se incrementa a 15v, ¿cuál es la corriente por el diodo?SOLUCIÓN.De forma ideal el diodo en conducción se comporta como circuito cerrado,por lo tanto:Se trata de un diodo de Silicio, estamos hablando de que en modo deconducción la caída de voltaje en el componente será de 0.7v, así llegamos ala siguiente relación:De las hojas de especificaciones del diodo 1N5158 se tiene que la caída devoltaje en el elemento es de 0.9v cuando existe una corriente circulante de150mA, de esta forma llegamos a una relación más precisa:
  10. 10. 9SCRNombre OficialIEC*Tiristor Triodo de Bloqueo Inverso(Reverse Blocking Triode Thyristor)Nombre Común Rectificador Controlado de SilicioNúmero de Capas 4, 3 unionesNúmero de Terminales 3Disparo Principal Mediante Señal de compuertaValores Máximos Disponibles 1800v, 550AmediaPrincipales Aplicaciones Conversión de potencia sustituyendo adispositivos electromecánicos de controlde velocidad de motor, control de fase deconmutación.Unidireccional / Bidireccional Unidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  11. 11. 10OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNUn SCR, (rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres terminales usado paracontrolar corrientes más bien altas para una carga. Un SCR actúa a semejanza de uninterruptor. Cuando está en conducción, hay una trayectoria de flujo de corriente de bajaresistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado cuando estáen corte, no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como uninterruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutaciónde un SCR es muy rápida.El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR enserie con la carga.Donde:IMAX – Corriente máxima queacepta el dispositivo enconducciónIH – Corriente de sostenimientoVH – Voltaje de sostenimientoVBO – Voltaje que permite laconducciónVRSH – Voltaje avalanchaIRSH – Corriente avalanchaIG – Corriente de compuerta Cuando se polariza inversamente ánodo - cátodo y/o IG=0 La destrucción del dispositivo se puede dar si se llega al punto deruptura por avalancha (VRSH, IRSH) o superando la corrientemáxima de conducción IMAX. No llegar al punto de mantenimiento Polarizado directamente ánodo-cátodo y superando a VBO,hecho esto, se debe lograr llegar al punto de mantenimiento, eltiempo para lograrlo disminuirá de acuerdo a la forma en que IGaumente.
  12. 12. 11EJEMPLOEl SCR siguiente tiene una tensión de disparo de 0.75v y una corriente dedisparo de 7mA. ¿Cuál es la tensión de entrada que cierra el SCR? Si lacorriente de mantenimiento es de 6mA, ¿cuánto vale la tensión dealimentación que lo abre?SOLUCIÓN.
  13. 13. 12GTONombre OficialIEC*Tiristor de Apagado(Turnoff Thyristor)Nombre Común Conmutador con Control de CompuertaNúmero de Capas 4, 3 unionesNúmero de Terminales 3Disparo Principal Mediante La compuerta conmuta al dispositivoentre sus estados de corte y conducciónValores Máximos Disponibles 500v, 10APrincipales Aplicaciones Conmutadores de corriente continua,inversores, torcedores, circuitos lógicosUnidireccional / Bidireccional Unidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  14. 14. 13OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNActúan como interruptores completamente controlables, los cuales pueden ser encendidosy apagados en cualquier momento con una señal de compuerta. Estos componentes estánoptimizados para tener muy bajas pérdidas de conducción y diseñados para trabajar en lasmas demandantes aplicaciones industriales.Donde:IH – Corriente desostenimientoIG – Corriente decompuertaVB – Voltaje de rupturaVBO – Voltaje que permitela conducción Cuando se polariza inversamente ánodo-cátodo. La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor negativoque supere al voltaje de ruptura VB y también superando IMAX. Siempre que no se supere IH. Con una IG<0 entre compuerta y cátodo. Polarizado directamente ánodo-cátodo y superando a VBO,hecho esto, se debe aplicar una IG positiva manteniendo IH. Con una corriente IG positiva entre compuerta y cátodo.
  15. 15. 14EJEMPLOCada disparo positivo cierra el GTO y cada disparo lo abre. El GTO es muy útilen contadores, circuitos digitales y otras aplicaciones en las cuales un disparonegativo está disponible para bloquearlo.
  16. 16. 15SCSNombre OficialIEC*Tiristor Tetrodo de Bloqueo Inverso(Reverse Blocking Tetrode Thyristor)Nombre Común Conmutador Controlado de SilicioNúmero de Capas 4, 3 unionesNúmero de Terminales 4Disparo Principal Mediante Cualquiera de sus compuertasValores Máximos Disponibles 200v, 1A medioPrincipales Aplicaciones Excitadores de lámpara, circuitos lógicos,contadores, circuitos de detección yalarma.Unidireccional / Bidireccional Unidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  17. 17. 16OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNEs similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales depuerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos depotencia menores que el SCR. El inconveniente que presenta respecto al SCR es que seencuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente.Donde:IH – Corriente desostenimientoIG – Corriente decompuertaVB – Voltaje de rupturaVBO – Voltaje que permitela conducción Cuando se polariza inversamente ánodo-cátodo. La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor negativoque supere al voltaje de ruptura VB. Siempre que no se supere IH. Con un valor de KG=0v y AG>0v Polarizado directamente ánodo-cátodo y superando a VBO,hecho esto, se debe aplicar un valor en KG>0v y AG=0v positivamanteniendo IH.
  18. 18. 17EJEMPLOCircuitos de apagado para el SCSa) El transistor conduce plenamente, y ocasiona una característica de bajaimpedancia desvía la corriente del ánodo del SC, lo que provoca que éstecaiga por debajo de su nivel de sostenimiento y por consecuencia lo apaga.b) El pulso positivo en la compuerta del ánodo apagará al SCS mediante elmecanismo antes descrito en esta sección.c) Este circuito puede ser tanto de encendido como de apagado mediante unpulso con la magnitud adecuada en la compuerta de cátodo. La característicade apagado será posible sólo si se utiliza el valor correcto de RA, el cualcontrolará la cantidad de retroalimentación regenerativa, donde la magnitudde ésta es crítica para este tipo de operación.
  19. 19. 18DIACNombre OficialIEC*Tiristor Diodo Bidireccional(Bidirectional Diode Thyristor)Nombre Común DIACNúmero de Capas 5, 4 unionesNúmero de Terminales 2Disparo Principal Mediante Tensión más alta que la de ruptura encualquier direcciónValores Máximos Disponibles 400v, 600A EficacesPrincipales Aplicaciones Protección de sobre-tensión en disparodel TRIAC, control de fase de CAUnidireccional / Bidireccional Bidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  20. 20. 19OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNEl DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones.Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superadosu tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valorcaracterístico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo paraambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo dealrededor de 30 V.Donde:IH – Corriente desostenimientoIMAX – Corriente máximadel dispositivoVBO – Voltaje que permitela conducción La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor quesupere a IMAX en cualquiera de los sentidos. Siempre que no se supere IH en ningún sentido ni a VBO. Con un voltaje aplicado entre MT1 y MT2 (o bien de MT2 a MT1)que supere a VBO, alcanzando así por lo menos a IH. Siempre que IH se mantenga.
  21. 21. 20EJEMPLODetector de proximidad o sensor al tactoA medida que el cuerpo humano se acerca al electrodo sensor, lacapacitancia entre el electrodo y la tierra se incrementará. El UJTprogramable (PUT) es un dispositivo que disparará (entrará al estado decircuito cerrado) cuando el voltaje del ánodo VA sea al menos 0.7v (Silicio)mayor que el voltaje de compuerta VG
  22. 22. 21TRIACNombre OficialIEC*Tiristor Triodo Bidireccional(Bidirectional Triode Thyristor)Nombre Común TRIACNúmero de Capas 7, 6 unionesNúmero de Terminales 3Disparo Principal Mediante Señal de compuertaValores Máximos Disponibles 1000v, 200A EficacesPrincipales Aplicaciones Conmutación y control de fase desuministro de CA @60Hz tal como enmotores y calefactores de CAUnidireccional / Bidireccional Bidireccional* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosasnormas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).REPRESENTACIÓN
  23. 23. 22OPERACIÓNCONDICIONES DE CONMUTACIÓNEl TRIAC es fundamentalmente un DIAC con una terminal de compuerta para controlar lascondiciones de encendido del dispositivo bilateral en cualquier dirección. La corriente demantenimiento no está presente en cada dirección como lo es en el DIAC. Se puededisparar mediante un pulso de corriente de compuerta y no requiere alcanzar el voltaje VBO(VBR) como el DIAC.Donde:IH – Corriente desostenimientoVBO – Voltaje que permitela conducciónIG – Corriente decompuertaIMAX – Corriente máximadel dispositivo La destrucción del dispositivo se puede dar si se supera IMAX encualquier sentido. Siempre que no se supere IH. Con una IG=0. Polarizado directamente A2-A1 y superando a VBO (cuadrante I),hecho esto, se debe aplicar una IG positiva manteniendo IH. Polarizado directamente A1-A2 y superando a VBO (cuadrante III),hecho esto, se debe aplicar una IG negativa manteniendo IH.
  24. 24. 23EJEMPLOEn la siguiente figura el interruptor está cerrado. Si el TRIAC se ha disparado,¿cuál es aproximadamente la corriente que circula por la resistencia de 22Ω?SOLUCIÓN.En el caso ideal, el TRIAC tiene 0v a través de él cuando conduce. Porconsiguiente, la corriente que circula por los 22Ω es:Incluso si el TRIAC tiene 1 o 2v a través de él, la corriente que circula por los22Ω es muy cercana a 3.41A debido a la elevada tensión de alimentación queoculta el efecto del TRIAC en la tensión.
  25. 25. 24OTROS TIRISTORESSCR Activado por luz Disparo principal mediante señal de puertay/o radiación. Sus principales aplicaciones están en:monitores de posición, interruptoresestáticos, interruptores de límite, circuitosdisparadores, controles fotoeléctricos. Su gráfica de operación es igual a la del SCR.SBS Conmutador Bilateral de Silicio Disparo principal mediante una tensiónmás alta que la de ruptura o bien por laseñal de puerta. Entre sus aplicaciones principales seencuentran los circuitos de temporización,disipadores, detector de umbral, etc.
  26. 26. 25BIBLIOGRAFÍA Principios de Electrónica, 6ta Edición. Malvino. Electrónica, teoría de circuitos, 5ta Edición, Robert Boylestad. profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm unicrom.com/Tut_rectificador_gobernado_silicio_SCR.asp es.wikipedia.org/wiki/Diac www.get.bme.hu/edu/subjects/VIAU0030/final/3.2_PSD_Dudrik_EN_FINAL/html/sekundarne/3_sek_en.htm datateca.unad.edu.co/contenidos/201419/contLinea/leccin_28_otros_tiristores.html http://temporizadoressebastian.blogspot.mx/2011/12/gto-gate-turn-off-thyristor-pesar-de.html

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