Dispositivos Semiconductores de potencia.Introduccin Dentro de los dispositivos electrnicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, as como otros derivados de stos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunin o UJT, el transistor uniunin programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de caractersticas especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo ms importante a considerar de estos dispositivos, es la curva caracterstica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la cada de tensin entre los electrodos principales. El componente bsico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conduccin). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequea potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando est en estado de bloqueo, con pequeas cadas de tensin entre sus electrodos, cuando est en estado de conduccin. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. El ltimo requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habr una mayor disipacin de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Ahora veremos los tres bloques bsicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales: Semiconductores de alta potencia Dispositivo Intensidad mxima

Rectificadores estndar o rpidos 50 a 4800 Amperios

Transistores de potencia 5 a 400 Amperios

Tiristores estndar o rpidos 40 a 2300 Amperios

GTO 300 a 3000 Amperios

Aplicaciones: Traccin elctrica: troceadores y convertidores. Industria: Control de motores asncronos. Inversores. Caldeo inductivo. Rectificadores. Etc. Mdulos de potencia Dispositivo Intensidad mxima

Mdulos de transistores 5 a 600 A. 1600 V.

SCR / mdulos rectificadores 20 a 300 A. 2400 V.

Mdulos GTO 100 a 200 A. 1200 V.

IGBT 50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones: Soldadura al arco. Sistema de alimentacin ininterrumpida (SAI). Control de motores. Traccin elctrica. Semiconductores de baja potencia Dispositivo Intensidad mxima

SCR 0'8 a 40 A. 1200 V.

Triac 0'8 a 40 A. 800 V

Mosfet 2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones: Control de motores. aplicaciones domsticas. Cargadores de bateras. Control de iluminacin. Control numrico. Ordenadores, etc. Aplicaciones generales: evolucin prctica

SCR y TriacsSCR (rectificador controlado de silicio)

FuncionamientoActa de manera muy similar a un interruptor. Cuando est conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de energa de nodo a ctodo; por consiguiente acta como un interruptor cerrado. Cuando est bloqueado, no puede fluir corriente de nodo a ctodo; es decir acta como un interruptor abierto, debido a que es un dispositivo de estado slido, la conmutacin de un SCR es muy rpida. El SCR es un rectificador, de modo que solo permite el paso de corriente durante el semiciclo positivo de la fuente AC. Durante el semiciclo positivo el nodo del SCR es ms positivo que el ctodo, esto significa que no puede estar en conduccin por ms de medio ciclo, durante el otro medio ciclo la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad hace que el SCR quede inversamente polarizado lo cual impide que circule cualquier corriente hacia la carga.El valor promedio de la corriente que fluye por la carga, puede controlarse colocando un SCR en serie con la carga, la fuente de la figura podra ser de AC a 60 Hz o bien DC en circuitos especiales Los trminos popularmente para describir como est operando un SCR, ngulo de disparo y ngulo de conduccin. El ngulo de conduccin de es el nmero de grados de un ciclo AC durante los cuales el SCR est en conduccin. EL Angulo de disparo es el nmero de grados ciclo AC que transcurren antes que el SCR pase al estado de conduccin, estos trminos estn basados en la nocin de que el periodo equivale a 360 grados La figura muestra las formas de onda de control con SCR para dos ngulos de disparo distintos Interpretemos la figura. Cuando el ciclo de AC comienza su alternancia, el SCR est bloqueado. Por tanto, el voltaje instantneo a travs de sus terminales nodo y ctodo, es igual al voltaje de la fuente. Esto es justamente lo que sucedera si colocramos un interruptor abierto en lugar del SCR. El SCR est tumbando est tumbando la totalidad del voltaje de la fuente, el voltaje a travs de la carga es cero durante este tiempo. El extremo izquierdo de las formas de onda ilustra este hecho. Mas delante a la derecha del eje horizontal, muestra que el voltaje de nodo a ctodo cae a cero despus de cerca de un tercio de semiciclo positivo este es el punto correspondiente a 60 grados cuando cae a cero el SCR ha sido cebado o ha pasado al estado de conduccin. Por lo tanto el Angulo de disparo es de 60 grados posteriormente actuara con un circuito cerrado los siguientes 120 grados, ambos ngulos siempre totalizan 180 grados.Polarizacin en CD o CA?Operacin con fuentes DC, funciona de la siguiente manera cuando SW se cierra el SCR permite el paso de corriente, la resistencia en el terminal de puerta debe seleccionarse para que esto no ocurra. Una vez cebado, el SCR permanecer en conduccin, la carga se mantendr energizada hasta tanto se suprima la fuente de voltaje. El SCR se mantendr en conduccin aunque el SW se abra pues no se necesita una corriente de puerta para mantener el SCR en conduccin Operacin con fuentes AC, cuando el interruptor est abierto, no es posible la circulacin de corriente hacia la puerta. El SCR jams pasara a conduccin, de modo que es un circuito en serie abierto con la carga, por tanto la carga esta desenergizada.En cuales circuitos se aplican? Circuito simple de disparo con SCR Retardo en el disparo usando condensadores Operaciones en las cuales requieran que se entregue una cantidad de potencia elctrica variable y controlada, la iluminacin, el control de velocidad de un motor, la soldadura elctrica y el calentamiento elctrico.Parmetros elctricos del SCRA continuacin encontramos las siguientes siglas nos indicaran los parmetros elctricos de los SCR en cada uno de sus pines y su sensibilidad as como los volts y los amperios que pueden llegar a soportar su encapsulado. Vase la tabla 1.1 y la tabla 1.2

-VRDM: Mximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: Mximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)- IF: Mxima corriente directa permitida.- PG: Mxima disipacin de potencia entre compuerta y ctodo.- VGT-IGT: Mximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado- IH: Mnima corriente de nodo requerida para mantener cebado el SCR- dv/dt: Mxima variacin de voltaje sin producir cebado.- di/dt: Mxima variacin de corriente aceptada antes de destruir el SCR.

EncapsuladosComo todos los semiconductores su apariencia externa es la que nos indica la potencia que es capaz de disipar. En el caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricacin es diverso, aqu aparecen los ms importantes.

# Conecte una resistencia de 1K Ohm entre la puerta y el ctodo.* IGT (mx.) es la puerta de mxima corriente necesaria para activar un tiristor a la del estado.

PinesLa tabla 1.3 nos da a conocer el nombre de cada uno de sus pines dndonos a conocer cul es el ctodo, el nodo y la compuerta.

SCR en comparacin con los diodos comunesLos diodos al igual que los SCR son componentes que permiten conducir la corriente en un solo sentido.

El SCR es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposicin pnpn. Est formado por tres terminales, llamados nodo, Ctodo y Puerta. La conduccin entre nodo y ctodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (el sentido de la corriente es nico), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. (Vase figura 1)Figura 1

La diferencia de un SCR con un diodo comn es que un diodo comn permite el paso de la corriente sin una estimulacin y el SCR necesita una pequea estimulacin en la compuerta para permitir el paso de la corriente.Un ejemplo para entender esto sera el siguiente: imaginemos que tenemos una lmpara de mano la cual necesita que tengamos que mantener un botn presionado para que esta emita su luz y tambin tenemos una lmpara de mano que con solo presionar un botn una sola ves la luz permanece encendida. En este caso la primera lmpara que se mencion seria como el SCR debido a que necesita de una estimulacin para poder funcionar, y la segunda lmpara seria como un diodo comn que con solo encenderla la luz permanece encendida.

TRIAC.Funcionamiento.El triac es un dispositivo electrnico semiconductor de tres terminales, de ah que se le conozca como un tiristor y se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una sola carga, con la particular capacidad de dirigir la corriente en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversin de la tensin o al disminuir de la corriente debajo del valor de mantenimiento, el Triac puede ser disparado independientemente de la polarizacin 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 direccin de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es ms 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 acta como un interruptor abierto.Polarizacin CD (Corriente Directa) o CA (Corriente Alterna)

CD (Corriente Directa)

Un triac es un TIRISTOR BIDIRECCIONAL por lo que significa que puede conducir en dos direcciones, en la imagen anterior podemos apreciar el smbolo del triac, se pueden apreciar dos diodos rectificadores juntos pero inversos, por lo que si alimentamos en MT1 o nodo 1, con una seal DC de 5 v, del otro extremo en MT2 tendremos la misma salida de voltaje, ahora viceversa, si alimentamos en MT2 la misma seal de 5v, del otro extremo en MT1 tendr la misma seal de 5v, por qu? porque como son dos diodos, cuando es en MT1 fluye atreves del diodo derecho (imagen), mas no por el izquierdo, y cuando es alimentado por MT2 es al revs, la corriente fluye atravez del diodo izquierdo y no por el derecho, esto siempre y cuando el triac, este siendo alimentando por un Voltaje en la compuerta, al igual que un SCR si dejamos de suministrar voltaje a la compuerta los diodos se bloquean lo que impide el paso de corriente en cualquier direccin.

CA (Corriente Alterna)

Cuando un TRIAC es alimentando con corriente alterna, no importa el sentido de sus terminales MT2 y MT2 dado a que cuando la corriente pasa el semiciclo pasa por el diodo que se encuentra en la correcta polarizacin y cuando llega al semiciclo negativo para por el otro diodo que se encuentra inversamente polarizado, a diferencia del SCR el triac permite el paso de la seal en su totalidad todo esto siempre y cuando haiga una alimentacin positiva en la terminal Gate o compuerta de lo contrario no habra ningn paso de corriente.

En conclusin este triac puede trabajar con ambos tipos de polarizacin en CA o CDAplicaciones.Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores elctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores elctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna. Ejemplo De Aplicacin.Puede verse una aplicacin prctica de gobierno de un motor de c.a. mediante un triac (TXAL228). La seal de control (pulso positivo) llega desde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a su salida proporciona un 0 lgico por lo que circular corriente a travs del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al fototriac a travs de R2 tomando la tensin del nodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensin de puerta suficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conduccin provocando el arranque del motor.Debemos recordar que el triac se desactiva automticamente cada vez que la corriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesario redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la seal de control activada durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar, entre los terminales de salida del triac se sita una red RC cuya misin es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas que se puedan producir por las corrientes inductivas de la carga, evitando adems cebados no deseados.Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador de calor constituido a base de aletas de aluminio de forma que el semiconductor se refrigere adecuadamente.Parmetros Elctricos del TriacLos Parmetros elctricos, son los datos de un dispositivos, tales como:La tolerancia que tengan a las temperaturas.Cuanta corriente elctrica puede tolerar.El tiempo que toma para realizar el disparoLa corriente mnima necesaria para que se realice el disparo.

Definicin de los parmetros del TriacVDRM (Tensin de pico repetitivo en estado de bloqueo) = es el mximo valor de tensin admitido de tensin inversa, sin que el triac se dae.IT(RMS) (Corriente en estado de conduccin) = en general en el grafico se da la temperatura en funcin de la corriente.ITSM (Corriente pico de alterna en estado de conduccin (ON)) = es la corriente pico mxima que puede pasar a travs del triac, en estado de conduccin. En general seta dada a 50 o 60 Hz.I2t (Corriente de fusin) = este parmetro da el valor relativo de la energa necesaria para la destruccin del componente.PGM (Potencia pico de disipacin de compuerta) = la disipacin instantnea mxima permitida en la compuerta.IH (Corriente de mantenimiento) = la corriente directa por debajo de la cual el triac volver del estado de conduccin al estado de bloqueo.dV/dt ( velocidad critica de crecimiento de tensin en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento mximo permitido de la tensin en el nodo antes de que el triac pase al estado de conduccin. Se da a una temperatura de 100C y se mide en V/m s.tON (tiempo de encendido) = es el tiempo que comprende la permanencia y aumento de la corriente inicial de compuerta hasta que circule la corriente andica nominal.

VALORES MAXIMOS (2N6071A,B MOTOROLA)Tabla donde se muestran los valores mximos del triac 2NTabla donde se muestran los parmetros elctricos del TRIAC 2N6071A

Encapsulados de un Triac.

El encapsulado de tiristores y triacs vara mucho segn se trate de productos de pequea, mediana o gran potencia con lo cual podemos distinguir:Las cpsulas con hilos terminales: las ms conocidas son las TO-5 y TO-18, con una versin plstica, la TO-92 Y el TO-220. A propsito de estas cpsulas, conviene haber notar la evacuacin de calor no se obtiene solo por la conveccin natural, sino tambin por la conduccin al soporte mediante las terminales. La potencia disipable podr as variar considerablemente con la longitud de estos hilos y con la capacidad de disipacin del soporte.Adems de una variante del TO-5 conviene incluso soldar la cpsula a un refrigerador para poder obtener la potencia mxima anunciada.Las cpsulas atornillables: se usan mucho en los diodos desde algunos ampres hasta centenas de amperes. Su empleo es ms general en tiristores y triac pero aun dominan la gama situada por encima de 15 a 20 A.

Tablas con los diferentes tipos de encapsulados que puede tener un TRIAC

Terminales (pines) de un triac.Las terminales de Triac son las siguientes.:MT1 (Main Terminal 1) o A1 (Anode 1), en ciertos encapsulados la parte posterior metlica tambin forma parte de MT1MT2 (Main Terminal 2) o A2 (Anode 2)G (Gate) o compuerta

Pines del triac en el smbolo Pines de un TRIAC fsicamente

NOTA: En los pines fsicos vara dependiendo del tipo de encapsulado.

Comparacin Con Diodos Comunes (triac)

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 inversin de la tensin o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarizacin de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa..Diodo rectificador: Es un dispositivo que consiste en separar los ciclos positivos de una seal de corriente alterna

Diodos rectificadores fsicos. Diferencia: entre un triac y un rectificador es que el rectificador es solo un diodo que funciona en un solo sentido positivo mintra que no funciona con inversa y mientras que el triac son 2 diodos lo que lo hace bidireccional mientras se le aplique corriente en lo que es el compuerta as dejando pasar una seal senoidal completa tanto como en positivo como en negativoDiferencia entre ambos tipos de circuitos de disparo (CD y CA) (TRIAC)La diferencia entre CD y CA en CD funciona con una pila se emplea es un interruptor en serie lo que controla el disparo de corriente en el circuito mientras que en CA se usa un transformador para hacer el disparo usa la resistencia limitadora para moderar el paso de la corriente as no dejando pasar demasiada carga al circuirteEsto quiere decir que cuadro son dos tipos de corriente cambia el orden del circuito

Disparo en CD.En este caso la tensin de disparo proviene de una fuente de tensin continua aplicada al TRIAC a travs 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 funcin de control, que puede ser un simple interruptor mecnico o un transistor trabajando en conmutacin.Este sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos electrnicos alimentados por tensiones continuas cuya funcin sea la de control de una corriente a partir de una determinada seal de excitacin, que generalmente se origina en un transductor de cualquier tipo.Disparo en CA.El disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un transformador que suministre la tensin de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensin de la red con una resistencia limitadora de la corriente de puerta adecuada y algn elemento interruptor que entregue la excitacin a la puerta en el momento preciso.Bibliografa"Rectificadores, tiristores y triacs"M.GaudryEd. Paraninfo, Madrid "Power electronics"M.J. FisherPWS-KENT "Power electronics, circuits, devices and applications"H. Rashid MuhammadPrentice Hall