TRANSISTOR FET INTRODUCCIÓN Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento desplaza miento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número nú mero de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Existen unos dispos itivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama transistor de efecto campo. Combinación de portadores. Puesto que hay una tensión positiva pos itiva entre el drenador y el surtidor, los electrones fluirán desde el su rtidor al drenador (o viceversa según la configuración del mismo), aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre el surtidor (o drenador) y la puerta, ya qu e el diodo formado por la unión canal puerta, esta polarizado inversamente. En el caso de d e un diodo polarizado en sentido inverso, donde inicialmente inici almente los huecos fluyen hacia l a terminal negativa de la batería y los electrones del material N, fluyen hacia el terminal positivo de la misma. Lo anteriormente dicho se puede aplicar al transistor FET, en donde, cuando se aumenta VDS aumenta una región con empobrecimiento de cargas libres.
Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esqu ema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no d estruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta po tencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Elementos o terminal es.
Un transistor de efecto campo ( FET) típico está formado por una barrita barri ta de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar co llar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n. En los extremos del canal se hacen ha cen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta pu erta (g-gate) en el collar.
La figura muestra muestra el croquis de un FET con canal N
Símbolos gráficos para un FET de canal N
Símbolos gráficos para un FET de canal P
Fundamento de transistores
de efecto de campo:
Los transistores son tres zonas semiconductoras juntas dopadas alternativamente alternativamente con purezas pur ezas donadoras o aceptadoras de electrones. Su estructura y representación se muestran en la tabla.
Modelo de transistorFET canal n
Modelo de transistorFET canal p
Las uniones Puerta-Drenador y la Surtidor-Puerta están polarizadas en inversa de tal forma que no existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión un ión PN. La zona n (en el FET canal n) es pequeña y la amplitud de la zona de d deplexión eplexión afecta a la longitud efectiva del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la tensión inversa (tensión de puerta) .
Zonas y
y
de f uncionamiento del transistor de efecto de campo (FET): ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS ZONA DE CORTE: La intensidad de drenador es nula (ID=0).
A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).
La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FETde CANAL N, lo que sigmifica que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.
APLICACIONES APLICACIÓN
PRINCIPAL VENTAJA
USOS
Aislador o separador (buffer)
Impedancia de entrada alta y de Uso general, equipo de medida, receptores salida baja
Amplificador de RF
Bajo ruido
Mezclador
Baja distorsión de intermodulación
Amplificador con CAG
Facilidad para controlar ganancia Receptores, generadores de señales
Amplificador cascodo
Baja capacidad de entrada
Troceador
Ausencia de deriva
Resistor variable por voltaje
Se controla por voltaje
Amplificador de baja frecuencia
Capacidad pequeña de acoplamiento
Audífonos para sordera, transductores inductivos
Oscilador
Mínima variación de frecuencia
Generadores de frecuencia patrón, receptores
Circuito MOS digital
Pequeño tamaño
Integración en gran escala, computadores, memorias
Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones Instrumentos de medición, equipos de prueba Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono
Siempre nos va a interesar estar en la región de saturación, para que la única variable que me controle la cantidad de corriente que pase por el drenador sea la tensión de puerta. Ecuación
de Shockley:
ID=IDSS(1VGS/Vp)2 Donde: y y
Vp es la tensión de puerta que produce el corte en el transistor FET. IDSS es la corriente máxima de drenador que circula por el transistor, al aumentar VDS, cuando la polarización de la puerta es VSG= 0 vol
PARAMETROS DEL FET La corriente de sumidero Id es f unción tanto de la tensión de sumidero Vds como de la puerta Vgs. Como la unión está polarizada inversam ente, suponemos que la corri ente de puerta es nula, con lo que podemos escribir: Ig = 0 e Id = (Vds, Vgs) En la zona de
estricción (saturación ) en que las caract erísticas son casi rectas (en el gráf ico, son horizontales, pero en realidad tienen una pendiente positiva) podemos escribir la respuesta del transistor para pequeños incrementos de Vds y Vgs en esta f orma
parámetro rd se llama resistencia diferencial del sumidero del FET, y es la inversa de la pendiente de la curva. Q ue como en el gráf ico, dicha pendiente e s cero (en la realidad, como he dicho antes existe algo de pendiente), entonces la rd es inf inita (muy grande). El parámetro gm se le denomina conductancia mutua o transconductancia , y es igual a la separación vertical entre las características que corr esponden a diferencias de valor de Vgs de 1 voltio. El
4) TÉCNICAS DE MANUFACTURA. Es un dispositivo de tres terminales y dos junturas, creado en un material semiconductor sólido cristalino (generalmente germanio, silicio, ó arseniuro de galio) con dif erentes contaminaciones, que permite regular la circulación de una corriente eléctrica mediante una corriente de control, mucho menor. El primer transistor se creó en los laboratorios Bell (Estados Unidos de N.A.) en 1947, partiendo de una oblea de germanio, gracias a los trabajos de William Shockley, John Bardeen, y Walter Brattain, por lo cual recibieron el premio Nobel. En el año 1954, la firma Texas Instruments de Estados Unidos, fabricó el primer transistor de silicio, lo cual bajó los costos y permitió, gracias a nuevas técnicas de fabricación, su comercialización a gran escala. Han reemplazado en la mayoría de las aplicaciones a los tubos ó válvulas electrónicas, en los circuitos de radio, audio, etc. permitiendo la fabricación de equipos portátiles e inmun es a vibraciones y de bajo consumo de energía (en los primeros tiempos se llamaba a los equipos transistorizados de "estado sólido" o "frios"). Como se indicó con anterioridad, el JFET es un dispositivo de tres terminales, siendo una de ellas capaz de controlar el flujo de corriente entre las otras dos. En nuestra explicación sobre el transistor BJT se utilizó el transistor npn a lo largo de la mayor parte de las secciones de análisis y diseño, con una sección dedicada a los efectos resultantes de emplear un transistor pnp.
Para el transistor JFET el dispositivo de canal-n aparecerá como el dispositivo predominante, con párrafos y secciones dedicadas a los efectos resultantes del uso de un JFET de canal-p. La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura siguiente Observe que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n se con ecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se con ecta por medio de contacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta (gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a los extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p. En ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura siguiente, que se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una región de agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaz de permitir la conducción a través de la región.
Transistor de unión de efecto de campo (JFET). Muy pocas veces las analogías son perfectas y en ocasiones pueden ser engañosas, pero la analogía hidráulica de la figura siguiente proporciona un sentido al control del JFET en la terminal de compuerta y a la conveniencia de la terminología aplicada a las terminales del dispositivo. La fuente de la presión d el agua puede semejarse al voltaje aplicado del drenaje a la fuente, el cual establecerá un flujo de agua ( electrones) desde el grifo o llave (fuente). La "compuerta", por medio de una señal aplicada (potencial), controla el flujo del agua (carga) hacia el "drenaje". Las terminales del drenaje y la fuente están en los extremos opuestos del canal-n, como se ilustra en la figura anterior, debido a que la terminología se define para el flujo de electrones.
Analogía hidráulica para el mecanismo de control del JFET. VGS = 0 V, Vds cualquier valor positivo En la figura siguiente se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y la compuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición VGS = 0 V . El resultado es que las terminales de compuerta y fuente se hallan al mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferior de cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura del transistor FET.
En el instante que el voltaje vDD ( = VDS) se aplica, los electrones serán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional ID con la dirección definida de la figura siguiente la trayectoria del flujo de carga revela con claridad que las comentes de fuente y drenaje son equivalentes (ID = Is). Bajo las condiciones que aparecen en la figura siguiente, el flujo de carga es relativamente permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal-n entre el drenaje y la fuente.
JFET en la región VGS = 0 V y VDS > 0 V. Es importante observar que la región de agotamiento es más anch a cerca del extremo superior de ambos materiales tipo p. La razón para el cambio en la anchura de la región se puede describir mejor con la ayuda de la figura siguiente. Suponiendo una resistencia uniforme en el canal- n, la resistencia del canal puede dividirse en las partes que aparecen en la figura siguiente. La corriente ID establecerá los niveles de voltaje a través del canal, como se indica en la misma figura. El resultado es que la región superior del material tipo p estará inversamente polarizada alrededor de los 1.5 V, con la región inferior inversamente polarizada sólo en los 0.5 V. Recuérdese, la explicación de la operación del diodo, qu e cuanto mayor sea la polarización inversa aplicada, mayor será la anchura de la región de agotamiento, de aquí la distribución de la región d e agotamiento que se muestra en la figura siguiente. El hecho de que la unión p-n esté inversamente polarizada en la longitud del canal da por resultado una corriente de compuerta de cero amperes, como se ilustra en la misma fi gura. El hecho que iG = O A es una importante característica del JFET.
Variación de los potenciales de polarización inversa a través de la unión p-n de un JFET de canal n. Encapsulado
e identif icación de sus terminal es.
La fabricación de varios de estos dispositivos conectados en diversas configuraciones en una misma obl ea de silicio, permitió crear los circuitos integrados o chips, base de todos los aparatos electrónicos modernos. Conectados de manera apropiada, permite amplificar señales muy débi les, convertir energía, encender o apagar sistemas de elevada potencia, crear osciladores d esde frecuencias bajas hasta frecuencias de radio, etc.
Según sea el orden de los materiales que forman las junturas, existen los transistores tipo NPN ó PNP, los cuales, en disposiciones circuitales apropiadas permiten crear una enorme cantidad de circuitos para diversos fines, ya que se complementan pues funcionan con sentidos opu estos de circulación de corriente. En la actualidad, existen una gran variedad d e transistores, de efecto de campo o FET (el electrodo de control actúa por medio de campo eléctrico), los tipo unijuntura, los MOS o de óxido metálico (variante de los FET), y otras variaciones como los VMOS (usados para controlar grandes potencias y tensiones), etc. Existe una innumerable cantidad de diseños, especializados pa ra alta potencia, bajo ruido eléctrico, alta frecuencia, alta ganancia de corriente, alta tensión, aplicaciones de conmuta ción, etc.
AMPLIFICADOR MOSFET
INTRODUCCION Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los JFET y los MOSFET. Pese a que el concepto básico de los FET se conocía ya en 1930, estos dispositivos sólo empezaron a fabricarse comercialmente a partir de la década de los 60. Y a partir de los 80 los transistores de tipo MOSFET han alcanzado una enorme popularidad. Comparados con los BJT, los transistores MOS ocupan menos espacio, es decir, dentro de un circuito integrado puede incorporase un numero mayor. Además su proceso de fabricación es también más simple. Además, existe un gran número de funciones lógicas que pueden ser implementadas únicamente con transistores MOS (sin resistencias ni diodos). Esto ha hecho del transistor MOS el componente estrella de la electrónica digital.
CARACTERÍSTICAS MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total. Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase. La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia. Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain) En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):
PRINCIPIO
DE OPERACION
Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los elec trones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. En el caso del MOSFET de canal P , se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la c antidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta. Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
APLICACION El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos ventajas sobre los MESFET¶s y los JFET¶s y ellas son: En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal. El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET¶s de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg). Capacitancia en el MOSFET Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación. Encendido En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.
Apagado Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo. Área segura de operación El área segura de operación del MOSFET está limitada por tres variables que forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son: 1. Corriente máxima pulsante de drenaje 2. Voltaje máximo drenaje-fuente 3. Temperatura máxima de unión. Pérdidas del MOSFET Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante.
1.
El mosfet gracias a su gran velocidad de conmutación presenta una gran versatil idad de trabajo;este puede reemplazar dispostivos como el jfet. 2. Los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de apl icaciones 3. Para que circule corriente en un MOSF ET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos. 4. Gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la c ompuerta.
SCR INTRODUCCION El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.
Figura 1: Símbolo del SCR.
Figura 2 : Estructura básica del SCR.
CARACTERISTICAS DEL SCR Interruptor casi ideal. Soporta tensiones altas. Amplificador eficaz. Es capaz de controlar grandes potencias. Fácil controlabilidad. Relativa rapidez. Características en función de situaciones pasadas (memoria).
Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades: - Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: VRWM - Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM - Tensión directa ...........................................................................: VT - Corriente directa media ...............................................................: ITAV - Corriente directa eficaz ................................................................: ITRMS - Corriente directa de fugas ............................................................: IDRM - Corriente inversa de fugas ............................................................: IRRM - Corriente de mantenimiento ..........................................................: IH
Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son: - Temperatura de la unión ................................................................: T j - Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg - Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: R c-d - Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: R j-c - Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: R j-a - Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Z j-c
CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.
Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes características: -Tensión directa máx. ....................................................................: VGFM - Tensión inversa máx. ...................................................................: VGRM - Corriente máxima..........................................................................: IGM - Potencia máxima ..........................................................................: PGM - Potencia media .............................................................................: PGAV - Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: VGT - Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: VGNT - Corriente de puerta para el encendido ...........................................: IGT - Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: IGNT Entre los anteriores destacan: - VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.
- VGNT e IGNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado. Área de disparo seguro. En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las curvas: Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo. Curva C: tensión directa de pico admisible VGF . Curva D: hipérbola de la potencia media máxima P GAV que no debemos sobrepasar.
Figura 3. Curva características de puerta del tiristor.
y y
El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos: Una caída de tensión en sentido directo más elevada. Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.
Tensiones transitorias: - Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación. - Son breves y de gran amplitud. - La tensión inversa de pico no repetitiva (V RSM) debe estar dentro de esos valores. Impulsos de corriente: - Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4). - A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos. - El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión. Ángulos de conducción: - La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción. - A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia. - Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción (Figura 5):
ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo
- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias.
Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.
Caracterí sticas de conmutación. Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho.
4.3.2.1 Ti empo de encendido (Ton): Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos partes (Figura 6): Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo. Depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (t d disminuye si estas magnitudes aumentan). Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial. Ton = td + tr
Figura 6. Tiempo de encendido.
Tiempo de apagado (Toff ):
Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos partes (Figura 7): Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente. Tiempo de recuperación de puerta (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta recupere su capacidad de gobierno. Toff = trr + tgr
Figura 7. Tiempo de apagado. La extinción del tiristor se producirá por dos motivos: reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo.
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS. Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez provoca un aumento de la temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.
MÉTODOS DE DISPARO. Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que I L, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor I H, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo. Los distintos métodos de disparo de los tiristores son: - Por puerta. - Por módulo de tensión. - Por gradiente de tensión (dV/dt) - Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura. El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados.
APLICACION ES DEL SCR. Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna. La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción d el ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes: · Controles de relevador. · Circuitos de retardo de tiempo. · Fuentes de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos. · Controles de motores. · Recortadores. · Inversores. · Ciclo conversores. · Cargadores de baterías. · Circuitos de protección. · Controles de calefacción. · Controles de fase.
DIAC INTRODUCCIÓN El DIAC (Diode Alternative Current, Figura 1) es un dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) con dos electrodos principales: MT1 y MT2, y ninguno de control. E s un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo.
Figura 1: Símbolo del DIAC.
2.
ESTRUCTURA .
Figura 2 : Estructura básica del DIAC.
En la curva característica tensión-corriente se observa que: - V(+ ó -) < Vb0 , el elemento se comporta como un circuito abierto. - V(+ ó -) > Vb0 , el elemento se comporta como un cortocircuito. Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo Vb0; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente, disminuyendo como consecuencia la tensión.
CARACT ERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES. Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores. La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIA C, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le p one en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de con ducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.
Figura 3: Disparo de TRIAC mediante un DIAC.
TRIAC INTRODUCCION. El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa. Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac(dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.
CARACTERÍSTICAS
La estructura contiene seis capas como se indica en l a Fig. 1, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1N1P2N2y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A eficaces y desde400 a 1000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. En la Fig. 2 se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (MT2) y Terminal Principal 1 (MT1) respectivamente.
Se puede considerar a un TRIAC como si fueran dos SCR conectados en anti paralelo, con una conexión de compuerta común, como se muestra en la Fig.3. Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, se activará al aplicar una señal negativa a la compuerta, entre la compuerta y la terminal MT1.No es necesario que estén presentes ambas polaridades en las señales de la compuerta ya que un TRIAC puede ser activado con una sola señal positiva o negativa de compuerta. En la práctica, la sensibilidad varía de un cuadrante a otro, el TRIAC normalmente se opera en el cuadrante I (voltaje y corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante III (voltaje y corriente de compuerta negativos).La diferencia más importante que se encuentra entre el funcionamiento de un triac y el de dos tiristores es que en este último caso cada uno de los dispositivos conducirá durante medio ciclo si se le dispara adecuadamente, bloqueándose cuando la corriente cambia de polaridad, dando como resultado una conducción completa de la corriente alterna. El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el breve instante en que la corriente de carga pasa por el valor cero, hasta que se alcanza el valor mínimo de tensión entre T2 y T1, para volver de nuevo a conducir, suponiendo que la excitación de la puerta sea la adecuada. Métodos de disparo Como hemos dicho, el TRIAC posee dos ánodos denominados (MT1 y MT2) y una compuerta G. La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1.El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar en l os cuatro modos posibles de disparo. 1. El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo más común (Intensidad de compuerta entrante). La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la uniónP2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y -. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.
El segundo modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánod o MT1( Intensidad de compuerta saliente).El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2. El disparo dela primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción. 2.
El tercer modo del Segundo cuadrante y designado por II I(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima aT1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción. 3.
4. El cuarto modo, del tercer cuadrante, y designado por II I (-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto l ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capasP2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos deP2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.
Disparo por corriente continua En este caso la tensión de disparo proviene de una fuente de tensión continua aplicada al TRIAC a través de una resistencia limitadora de la corriente de puerta. Es necesario disponer de un elemento interruptor en serie con la corriente de disparo encargado dela función de control, que puede ser un simple interruptor mecánico o un transistor trabajando en conmutación. Este sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos electrónicos alimentados por tensiones continuas cuya función sea la de control de una corriente a partir de una determinada señal de excitación, que generalmente se origina en un transductor de cualquier tipo
Disparo por corriente
alterna alterna.
El disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un transformador que suministre la tensión de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensión de la red con una resistencia limitadora de la corriente de puerta adecuada y algún elemento interruptor que entregue la excitación a l a puerta en el momento preciso.
Caract erística tensión corri ente.
La Fig. 4 describe la característica tensión corriente del Triac. Muestra la corriente a través del Triac como una función de la tensión entre los ánodos MT2 y MT1. El punto VBD (tensión de ruptura) es el p unto por el cual el dispositivo pasa de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos. El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la tensión de la fuente. Una vez que el Triac entra en conducción, la compuerta no controla mas la conducción, por esta razón se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipación de energía sobrante en la compuerta. El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 es negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la característica invertida. Por esto es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva es iguala la del III
Formas
de onda de los triacs.
Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR. Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la Fig. 5 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac (a través de los terminales principales) para dos condiciones diferentes. En la Fig. 5 (a), las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga. La parte del semiciclo durante la cual existe seta situación se llama ángulo de retardo de disparo. Después de transcurrido los 30 s, el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción. La Fig. 5 (b) muestran las mismas formas de ondas pero con ángulo de retardo de disparo mayor.
Circuito práctico para disparo.
En la Fig. 6 se muestra un circuito práctico de disparo de un triac utilizando un UJT. El resistor RF es un resistor variable que se modifica a medida que las condiciones de carga cambian. El transformador T1 es un transformador de aislamiento, y su propósito es aislar eléctricamente el circuito secundario y el primario, para este caso aísla el circuito de potencia CA d el circuito de disparo. La onda senoidal de ca del secundario de T1 es aplicada a un rectificador en puente y la salida de este a una combinación de resistor y diodo zener que suministran una forma de o nda de 24 v sincronizada con la línea de ca. Esta forma de onda es mostrada en la Fig. 7 (a). Cuando la alimentación de 24 v se establece, C1 comienza a cargarse hasta la Vp del UJT, el cual se dispara y crea un pulso de corriente en el devanado primario del transformador T2. Este se acopla al devanado secundario, y el pulso del secundario es entregado a la compuerta del triac, encendiéndolo durante el resto del semiciclo. Las formas de onda del capacitor (Vc1), corriente del secundario de T2 (I sec) y voltaje de carga (VLD), se muestran en la Fig. 7 (b), (c), (d). La razón de carga de C1 es determinada por l a razón de RF a R1, que forman un divisor de voltaje, entre ellos se dividen la fuente de CD de 24 v que alimenta al circuito de disparo. Si RF es pequeño en relación a R1, entonces R1 recibirá una gran parte de la fuente de 24 v, esto origina que el transistor PNP Q1 conduzca, con una circulación grande de corriente por el colector pues el voltaje de R1 es aplicado al circuito de base, por lo tanto C1 se carga con rapidez. Bajo estas condiciones el UJT se dispara pronto y la corriente de carga promedio es alta. Por otra parte se RF es grande en relación a R1, entonces el voltaje a través de R1 será menor que en el caso anterior, esto provoca la aparición de un voltaje menor a través del circuito base-emisor de Q1 con la cual disminuye su corriente de colector y por consiguiente la razón de carga de C1 se reduce, por lo que le lleva mayor tiempo acumular el Vp del UJT. Por lo tanto el UJT y el triac se disparan después en el semiciclo y la corriente de carga promedio es menor que antes.
APLICACION ES La versatibilidad del TRIAC y la simplicidad de su uso le hacen ideal para una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con el control de corrientes alternas. Una de ellas es su u tilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales, que requieren siempre el movimiento de un contacto, siendo la principal la que se obtiene como consecuencia de que el TRIAC siempre se dispara cada medio ciclo cuando la corriente pasa por cero, con lo que se evitan los arcos y sobre tensiones derivadas de la conmutación de cargas inductivas que almacenan una determinada energía durante su funcionamiento.