Objetivo:

Conocer y analizar cada componente de control industrial la definición o descripción el funcionamiento y las diversas características que componen a cada dispositivo.

Diodos Semiconductores

Contenido: Diodo Semiconductor Clasificación.

Diodos Rectificadores. Características.

Diodos de Señal. Resumen de funcionamiento.

Diodos de Conmutación. Resumen de funcionamiento

Diodos de alta Frecuencia.Resumen de funcionamiento.

Diodos Zener. Resumen de funcionamiento.

Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N)

El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta. Esta interesante propiedad puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación.

En efecto. si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando bloqueado en las ascendencias negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo.

La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante, que es el que se emplea actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío algunas ventajas fundamentales: - Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos.

- La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. - Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías.

- Pueden ser utilizados en equipos que manejen grandes corrientes, aplicación que con diodos de vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran tamaño de éstos. Existen diodos semiconductores de muy pequeño tamaño para aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas, tales como la demodulación en receptores de radio. Estos suelen estar encapsulados. en una caja cilíndrica de vidrio con los terminales en los extremos, aunque también se utiliza para ellos el encapsulado con plástico. Clasificación

Dentro del amplio conjunto de modelos y tipos diferentes de diodos semiconductores que actualmente existe en el mercado, se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados dos en varias familias, teniendo en cuenta aquellas características más destacadas y que, de hecho, son las que determinan sus aplicaciones. De esta forma se pueden encontrar las siguientes: - Diodos rectificadores de toda la gama de potencias, con encapsulado individual o en puente. - Diodos de señal de use general. - Diodos de conmutación. - Diodos de alta frecuencia. - Diodos estabilizadores de tensión. - Diodos especiales.

Diodos rectificadores

El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altos deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de color, por medio de un sistema de sujeción a tornillo. Cualquier sistema rectificador de corrientes, tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos según una forma de conexión denominada en puente. No obstante, también se utiliza otro sistema con dos diodos, como alternativa del puente en algunos circuitos de alimentación monofásicos.

Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador.

Características

Cualquier diodo rectificador está caracterizado por los siguientes factores: - Corriente directa máxima (If). - Tensión directa (Vd), para una corriente If determinada. - Tensión inversa máxima de pico de trabajo (VRWM). - Tensión inversa máxima de pico repetitiva (VRRM). - Corriente máxima de pico (Ifsm). - Corriente inversa máxima de pico (IRM), medida a VRRM. - Potencia total (P/tot).

Estas características deberán ser tenidas en cuenta en el momento de la elección del modelo más adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores límites, ya que ello acortaría excesivamente la duración del componente.

Diodos de señal

Los diodos de señal de use general se emplean en funciones de tratamiento de la señal, dentro de un circuito o bien para realizar operaciones de tipo digital formando parte de «puertas» lógicas y circuitos equivalentes, Son de baja potencia. Las características de estos diodos son:

- Tensión inversa (Vr), hasta 75 V como máximo. - Corriente directa (If), 100 mA. - Potencia máxima (P/tot), 200 milivatios (mW)

El encapsulado es en forma de un cilindro miniatura, de plástico o vidrio, estando los dos terminales de conexión situados en los extremos. Sobre el cuerpo deberá estar marcado el hilo de conexión que corresponde al cátodo, mediante un anillo situado en las proximidades de éste.

Diodos de conmutación

Los diodos de conmutación o rápidos se caracterizan por ser capaces de trabajar con señales de tipo digital o <<lógico>> que presenten unos tiempos de subida y bajada de sus flancos muy breves. El factor o parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un condensador), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos.

Diodos de alta frecuencia

Los diodos de alta frecuencia se emplean en aquellas partes de un circuito que deben de funcionar con frecuencias superiores a 1 megahertz (1 millón de ciclos por segundo). Se caracterizan por presentar una baja capacidad de difusión (Cd) entre las dos zonas semiconductoras que forman la unión P-N, cuando éstas están polarizadas en sentido directo.

Diodos zener

Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su nombre indica, para producir una tensión entre sus extremos constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente por encima de un determinado nivel.

Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una intensidad debilísima. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de tensiones zener

normalizadas y por la potencia que son capaces de disipar, desde 250 mili vatios hasta decenas de vatios, con encapsulado plástico o metálico. Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son:

- Tensión zener (Vz). - Corriente minima para alcanzar la Vz (Iz). - Potencia máxima (P/tot).

Diodos especiales

Dentro del grupo de diodos especiales están comprendidos los diodos varicap, diodos túnel y diodos Led Los primeros se construyen buscando acentuar al máximo la propiedad que presente la unión P-N de comportarse de una forma análoga a un condensador, cuando se la polariza inversamente. La capacidad resultante es, además, variable con la tensión aplicada; lo cual permite disponer de una forma muy simple de condensadores variables, controlados por una diferencia de potencial. Su empleo está muy generalizado en etapas de sintonía de receptores de radio y TV.

Rectificador Controlado De Silicio

Introducción

Los rectificadores controlados de silicio SCR se emplea como dispositivo de control.

El rectificador controlado de silicio SCR, es un semiconductor que presenta dos estados

estables: en uno conduce, y en otro está en corte (bloqueo directo, bloqueo inverso y

conducción directa).

El objetivodel rectificador controlado de silicio SCR es retardar la entrada en conducción del

mismo, ya que como se sabe, un rectificador controlado de silicio SCR se hace conductor no

sólo cuando la tensión en sus bornes se hace positiva (tensión de ánodo mayor que tensión de

cátodo), sino cuando siendo esta tensión positiva, se envía un impulso de cebado a puerta.

El parámetro principal de los rectificadores controlados es el ángulo de retardo, a.

Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante

los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo

del SCR es mas positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR no puede estar encendido más

de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y

esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarizaci6n inversa, evitando el paso de

cualquier corriente a la carga.

Rectificador controlado de silicio  SCR (silicon controlled rectifier)

Es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn

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.

El SCR se asemeja a un diodo rectificador pero si el ánodo es positivo en relación al cátodo no

circulará la corriente hasta que una corriente positiva se inyecte en la puerta. Luego el diodo se

enciende y no se apagará hasta que no se remueva la tensión en el ánodo-cátodo, de allí el

nombre rectificador controlado.

Funcionamiento básico del SCR

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su

funcionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos

corrientes: IC2 = IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1

(IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en

IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1.

Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

Operación controlada del rectificador controlado de silicio

Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de silicio con una

tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta

temperatura y potencia.

La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas

fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador

conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la

polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción la

resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1

La resistencia inversa es típicamente de 100 k o más. Un SCR actúa a semejanza de un

interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja

resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando esta

apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un

interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación de

un SCR es muy rápida.

El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie

con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 2. La alimentaci6n de voltaje es

comúnmente una fuente de 60-Hz de ca, pero puede ser de cd en circuitos especiales.

Si la alimentación de voltaje es de ca, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de ca en

el estado ON, y el resto del tiempo en el estadoOFF. Para una fuente de 60-Hz de ca, el tiempo

del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que esta en ON

y el tiempo que esta en OFF. La cantidad de tiempo que esta en cada estado es controlado por

el disparador.

Si una porción pequeña del tiempo esta en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la

carga es pequeña. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la

carga, só1o por una porción relativamente pequeña del tiempo. Si la señal de la compuerta es

cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo mas largo del tiempo, entonces la

corriente de carga promedio será mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la

fuente, a través del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la

corriente para la carga puede variarse ajustando la porci6n del tiempo del ciclo que el SCR

permanece encendido.

Características de control del SCR

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

Determinan la naturaleza del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de

disparo.

Para la región puerta- cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes caracteristicas

Vgfm, Vgrm, Igm, Pgm, Pgav, Vgt, Vgnt, Igt, 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.

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.

También podemos tomar como apuntes muy importantes los 4 casos siguientes:

1. Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región

de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará dependiendo de la condición de la

terminal de compuesta de la manera siguiente:

  O = circuito abierto de G a K   S = circuito cerrado de G a K   R = resistencia de G a K   V =

Polarización fija (voltaje) de G a K

2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del

estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas.

3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la condición de

circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del

ánodo al cátodo.

4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de avalancha del

diodo semiconductor de dos capas fundamental.  

Características de la compuerta de los SCR

Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de

compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la Terminal

del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en

particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente

de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay una unión pn estándar entre

la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas terminales (VGK)debe ser ligeramente mayor a

0.6 V.

Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de

compuerta. Mientras la corriente continué fluyendo a través de las terminales principales, de

ánodo a cátodo, el SCR perrnanecerá en ON. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (IAK) caiga

por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO el SCR se

apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de ca pasa por cero a su región

negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, la IHO es alrededor de 10 mA.

CARACTERÍSTICA DEL SCR

La siguiente figura muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de

compuerta.

Cuando el SCR está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la corriente

de fuga característica que se muestra en el gráfico).

En la región de polarización en directo el SCR se comporta también como un diodo común,

siempre que el SCRya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E.

Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de ánodo a cátodo es

menor (VC).

Si la IG disminuye, el voltaje ánodo-cátodo aumenta. (ver el punto B y A, y el voltaje ánodo-

cátodo VB y VA).

Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje ánodo-cátodo tenderá a

aumentar antes de que el SCR conduzca (se ponga en On, esté activo)

Características

Interruptor casi ideal

Amplificador eficaz

Fácil controlabilidad

Características en función de situaciones pasadas (memorias).

Soportan altas tensiones

Capacidad para controlar Grandes Potencias

Relativa rapidez

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS

Corresponden a la región ánodo- cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en

un limite de sus posibilidades

Vrwm. Vdrm, Vt, Itav, Itrms, Ir,Tj, Ih

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS

Tensiones transitorias

Son valores de tensión que van superpuesto a la señal sinusoidal de la fuente de alimentación.

Son de escasa duración, pero de amplitud considerable.

CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN

Los tiristores necesitan un tiempo para pasar de bloqueo a conducción y viceversa. Para

frecuencias inferiores a 400hz podemos ignorar estos efectos. En la mayoría de las aplicaciones

se requiere una conmutación mas rápida por lo que este tiempo de tenerse en cuenta.

CARACTERÍSTICAS POR TEMPERATURA

Dependiendo de las condiciones de trabajode un tiristor, este disipa una cantidad de energía

que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de

la temperatura produce un aumentó de la corriente de fuga, creando un fenómeno de

acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se colocan Disipadores de calor.

LOS PARÁMETROS DE RENDIMIENTO DEL SCR SON:

- VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: Máximo voltaje directo sin

cebado (VG = 0)- IF: Máxima corriente directa permitida.- PG: Máxima disipación de potencia

entre compuerta y cátodo.- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G)

para el cebado- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR- dv/dt:

Máxima variación de voltaje sin producir cebado.- di/dt: Máxima variación de corriente

aceptada antes de destruir el SCR.

Aplicaciones del SCR

Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en

lugar de los diodosconvencionales 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 del 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.

Ventajas

Requiere poca corriente de gate para disparar una gran corriente directa

Puede bloquear ambas polaridades de una señal de A.C.

Bloquea altas tensiones y tiene caídas en directa pequeñas

Desventajas

El dispositivo no se apaga con Ig=0

No pueden operar a altas frecuencias

Pueden dispararse por ruidos de tensión

Tienen un rango limitado de operación con respecto a la temperatura

Efectos con cargas inductivas

Cuando la carga del SCR es una carga inductiva, (se comporta como un inductor), es

importante tomar en cuenta el tiempo que tarda la corriente en aumentar en una bobina.

El pulso que se aplica a la compuerta debe ser lo suficientemente duradero para que la

corriente de la carga iguale a la corriente de enganche y así el tiristor se mantenga en

conducción.

En este tipo de cargas, la corriente puede, en principio, cambiar tan súbitamente como lo haga

la tensión. Pero si el circuito es inductivo, como es el caso de los

Motores eléctricos, entonces la corriente no puede sufrir cambios bruscos, pudiendo llegar a

Tener un retraso considerable respecto a la tensión.

Si la inductancia es alta pueden aparecer dos problemas:

1). Puede ocurrir que el tiristor no llegue ni siquiera a encenderse, si resultara que al crecer

muy lentamente la corriente en el momento de la activación de la compuerta, al cesar el pulso

de activación, la corriente aún no hubiera ni siquiera alcanzado el mínimo IH necesario para

mantener encendido al tiristor. La solución a este problema consiste en hacer que los pulsos de

encendido sean más largos.

2). Si el retraso de la corriente es muy grande, puede que cuando ésta llegue a ser inferior a la

corriente de mantenimiento IH, la tensión sea ya tan grande que el tiristor siga encendido, con

lo cual, no se apaga nunca. Para evitar este problema se monta en paralelo con la carga un

diodo para derivar por él el exceso de corriente que hace que el tiristor no se cierre a su

tiempo.

Grafica de la corriente y voltaje

Con carga inductiva

Conclusión

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar

el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo

rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se

aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que

se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una

duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la

corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el

tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la

corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada

alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo

forzado.

Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste

puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como

característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR.

Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.

Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónicade potencia, en el campo del control, debido a

que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

DIAC

1.    DEFINICIÓN.

  

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. Es 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

2.    ESTRUCTURA.

 

3..       APPLET CURVA CARACTERÍSTICAAPPLET CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO. Y FUNCIONAMIENTO.

 

      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.

 

 

 

                       4..      CARACTERÍSTICCARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES.AS 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 DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone 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 conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

           

             

TRIAC

            1.    DEFINICIÓN..             El TRIAC  (Triode for Alternative Current) 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.  

                                                                                           Figura 1: Símbolo del TRIAC.   En la Figura 1 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 (T2) y Terminal Principal 1 (T1) respectivamente.

     

            2.    ESTRUCTURA.

 

Figura 2 : Estructura  básica del TRIAC. 

La estructura contiene seis capas como se indica en la Figura 2, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas.  En sentido T2-T1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 a través de P2N1P1N4.   La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa.  La complicación de su estructura lo hace más 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 desde 400 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.

 El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Figura 3, este dispositivo es

equivalente a dos "latchs"( transistores conectados con realimentación positiva, donde la señal de retorno aumenta el efecto de la señal de entrada).

 

 Figura 3.

 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. Esto implica la perdida de un pequeño ángulo de conducción, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente esta en fase con la tensión, no supone ningún problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener en cuenta, en el diseño del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situación de la tensión aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensión entre los dos terminales del componente.

  

  3.3.       APPLET APPLET CURVA CARACTERÍSTICACURVA CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO.S Y FUNCIONAMIENTO.  La curva característica del TRIAC es la representada en el siguiente Applet:

El Applet describe la característica tensión – corriente del TRIAC entre los ánodos T2 y T1.                          La tensión  Vb0 es aquella en 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 T2  es negativa con respecto al ánodo T1 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 igual a la del III.

     

                         4.4.       MÉTODOS DE DISPAROMÉTODOS 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 los 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 unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la 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.  

 

        2.    El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).        Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción. 

 

3.   El tercer 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 ánodo 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 de la 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 P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

 

  4.   El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) 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 absorbido 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 a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción. 

 

 

 

            Existe un gran número de posibilidades para realizar en la práctica el disparo del TRIAC, pudiéndose elegir aquella que más resulte adecuada para la aplicación concreta de que se trate. Se pueden resumir en dos variantes básicas:

1. Disparo por corriente continua,2. Disparo por corriente alterna.                         

            4.14.1       DISPARO POR CORRIENTE CONTINUA. 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 de la 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.

             

            4.24.2       DISPARO POR CORRIENTE 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 la puerta en el momento preciso.

 

 

                         5.5.       CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICAS GENERALESS GENERALES   Y APLICACIONES. Y APLICACIONES.

           La versatibilidad del TRIAC y la simplicidad de su uso le hace ideal para una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización 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. 

            Resumiendo, algunas características de los TRIACS:

- El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conducción cuando se inyecta corriente a la compuerta. Después del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retención Ih.

- La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de bloqueo.

- La aplicación de los TRIACS, a diferencia de los Tiristores, se encuentra  básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad.

- La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna. 

Opto SCR

Optoacoplador:Diodo LED y Fototransistor

El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emite luz, ilumine el fototransistor y conduzca.

Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.

La corriente de salida IC del optocoplador (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED).

La relación entre estas dos corrientes se llama razón de transferencia de corriente (CTR) y depende de la temperatura ambiente.

A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED)

La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor) están 100% aislados y la impedancia de entrada es muy grande (1013 ohms típico)

El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar ésta.

Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores. De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no hay necesidad de mantenimiento.

Otros tipos de optoacopladores

Optoacoplador con fotodiodo Optoacoplador con Darlington

Optoacoplador con fototiristor (SCR) Optoacoplador con TRIAC

Foto Diodo

Fotodiodo

Fotodiodos

Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura siguiente se muestra su símbolo circuital.

 

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.

 

El circuito de un fotodiodo se trata de un circuito similar al de una célula fotoeléctrica con la diferencia de que a este último se le han añadido corrientes de fuga y ruido.

  

Las variables las especificamos a continuación: 

Vo = ( Ip + Id ) · Rc · Rp / ( Rc + Rp + Rs ) 

Y las fuentes de corriente inversa son: 

Ip = α q Φ A 

Id = Io ( exp{ q V / k T } – 1 ) Donde: 

     α       es el rendimiento cuántico del detector     q       el la carga del electrón     Φ       es la densidad de flujo incidente     A       es el área del detector     Io      es la corriente de saturación inversa     V       es la tensión aplicada al diodo      k       es la constante de Boltzmann     T       es la temperatura absoluta 

Para detectar la señal de un fotodiodo hay distintas opciones. Una posibilidad es no polarizar el diodo (modo fotovoltaico) y medir la tensión en vacío, o la corriente de cortocircuito mediante un amplificador de transimpedancia.

 

Circuitos para detectar la señal de un fotodiodo:(a y b) sin polarización y (c) con polarización inversa

Cuando no hay polarización, la corriente generada lo es en el sentido de la conducción directa del diodo, haciendo el ánodo positivo, por lo que la tensión en vacío, Vo, se obtiene a partir de:

 0 = Ip – Io ( exp { q Vd / k T } – 1 )

 de donde          Vd = ( k T /q ) · ln ( 1 + Ip / Io )Para detectar radiación ultravioleta, se emplea un recubrimiento plástico que bloquea la luz visible, y dejar pasar

toda la radiación (<800nm). 

Para sensores de color. La luz incidente se hace pasar a través de un filtro rojo, azul o verde, antes de llegar al fotodiodo. El color se determina midiendo la fotocorriente generada por la luz que atraviesa cada filtro. El problema de este método consiste en emplear una ventana transparente y dos diodos p-i-n en cascada. La respuesta espectral de los diodos depende de la diferencia de potencial aplicada entre los extremos del conjunto; aplicando secuencialmente tres tensiones distintas, se detectan los tres colores básicos.

Velocidad de respuesta de un fotodiodo en función de la tensión de polarización inversa 

En la figura anterior, vemos la respuesta del fotodiodo a un pulso de radiación con forma cuadrada. En ausencia de polarización, la respuesta es lenta debido a la lentitud de la cargas en su migración hacia la superficie. Al aplicar una tensión inversa pequeña (5 V), las cargas generadas en la zona desierta son recogidas rápidamente y son responsables de la rápida respuesta inicial.  Cuando la tensión aplicada es mayor. La zona desierta se extiende a toda la profundidad del dispositivo, dando un solo flanco de subida rápido.

Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes relativamente pequeñas.

 

   Curvas características de un fotodiodo

 

El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa tal y como se ve en la figura.

El modelo circuital del fotodiodo en inversa está formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente 0,7 V.

El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.

Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:

Se denomina corriente oscura (dark current), a la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.

Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2. La sensibilidad depende de la temperatura. Para fotodiodos no polarizados, se puede emplear el propio fotodiodo como sensor de temperatura

Esta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones.

 

-Geometría

Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosas para incidir en la unión PN. En la siguiente foto aparece una geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.

Corte transversal de un fotodiodo comercial

 

- Aplicaciones:

Se comercializan fotodiodos con amplificadores, compensación de temperatura y estabilización en el mismo chip. Con la integración se reducen los problemas debidos a corrientes de fugas, interferencias y picos de ganancia debidos a capacidades parásitas.

Los fotodiodos se emplean no solo en comunicaciones ópticas y fotómetros, sino también para control de iluminación y brillo, control remoto por infrarrojos, monitorización de llamas de gas y de petróleo (radiación ultravioleta centrada en la banda de 310 nm), enfoque automático y control de exposición en cámaras. Combinados con una fuente de luz, se emplean en codificadores de posición, medidas de distancia, espesor, transparencia y posición, como detectores de proximidad y de presencia. Los sensores de color se emplean para inspección y control de calidad. Las agrupaciones de sensores se aplican al reconocimiento de formas, manipulación de papes (fotocopias), lectoras de tarjetas codificadas, etc.

Foto Transistor

Fototransistores

 

Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Existen transistores FET (de efecto de campo), que son muy sensibles a la luz. La radiación luminosa se hace incidir sobre la unión colector base cuando éste opera en la RAN. En esta unión se generan los pares electrón - hueco, que provocan la corriente eléctrica.

El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

     Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente. Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base está ausente del transistor. La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo. (Ib=0)

     La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganacia del transistor.

     Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la siguiente grafica. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el fototransistor.

 

 

 

 

 

 

Curvas características de un fototransistor típico

 

-Construcción de los fototransistores:

 

Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipo de transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases como impurezas o dopantes. Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie sólida del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor

 

 

-Aplicaciones de los fototransistores

Este circuito muestra el principio de un seguidor, o control de posición en el cual se utiliza un fototransistor CA. Cuando exista una misma cantidad de radiación de luz incidiendo sobre los dos transistores, el condensador C se carga durante ambas medias ondas senoidales a través de los transistores, con la misma carga pero polaridad opuesta. El voltaje resultante por lo tanto es aproximadamente cero. Cuando existe una radiación desigual en los fototransistores, la señal diferencial es amplificada con el amplificador operacional, con el fin de energizar un motor, por ejemplo. En el semiciclo positivo de la onda de entrada, la corriente viaja por el diodo D1, por el fototransistor derecho, y por lo tanto aparece una carga neta positiva en el condensador. Por el contrario, cuando viene el semiciclo negativo de la onda, el diodo D2 conduce, y aparece un voltaje negativo en el condensador. Este cambio de polaridad se puede utilizar para controlar la dirección de giro de un motor, controlando la radiación incidente sobre los fototransistores.

-Funcionamiento

 La figura muestra un amplificador DC utilizando fototransistores, y con compensación de temperatura. El circuito contiene el fototransistor T1 empleado como fotodetector, y al fototansistor T2 oscurecido, empleado como referencia. Como se sabe de los dispositivos semiconductores, la temperatura origina también que se generen corrientes en el fototransistor, por lo que se pueden obtener respuestas que no sólo dependen de la luz. Para corregir este efecto, y que el circuito entregue una salida dependiente sólo de la radiación que caiga sobre él, se incluye el fototransistor T2 oscurecido, de manera que el operacional es comandado únicamente por una señal de diferencia. La dispersión entre especímenes de los fototransistores y del amplificador operacional se compensa por medio del potenciómetro R1. La ganancia es fijada por la resistencia R2. Este circuito se emplea como amplificador de escaneo y como detector en acopladores optoelectrónicos.

Centro de Bachillerato Tecnológico industrial y de servicios N.3

Luis Miguel Moreno Haro

Ing. Freddy Serrano Flores

Mantenimiento A Circuitos De Electrónica Industrial

Dispositivos de Control Industrial

Luis Miguel Moreno Haro

Electrónica 5° “K” English 5

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