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TEMA 5. SEMICONDUCTORES

Mientras que los conductores ofrecen una escasa resistencia al paso de la corriente y los aislantes ofrecen una

elevada resistencia, los semiconductores ofrecen una resistencia intermedia.

La caracterstica fundamental de los semiconductores es que poseen 4 electrones en su rbita ms exterior (rbita de

valencia), por eso nos referimos al Silicio (Si) y al Germanio (Ge). Con esta estructura, se establecen enlaces

covalentes (comparticin de electrones) de manera que los tomos se agrupan en una estructura reticular donde uno

de ellos est en el centro de un cubo y otros cuatro (los enlazados con l) en cuatro vrtices de un cubo. De esta

manera cada tomo tiene su ltima rbita completa al estilo de los

gases nobles con 8e- en su ltima capa.

La salida de un electrn del enlace covalente deja un HUECO al que

se tratar como una carga positiva por su apetencia a absorber

electrones para restaurar el enlace covalente roto.

En estas condiciones en una red cristalina aislada habr un nmero

de ELECTRONES igual al de HUECOS porque como sabemos la

materia es neutra.

Cuando a partir de ahora hablemos de movimientos de huecos,

como los huecos son representaciones de la salida de electrones, lo

que estar ocurriendo es que un electrn se mueve en sentido

contrario al movimiento de los huecos.

a) Comportamiento de un semiconductor puro (sin dopar ) ante la tensin.

Si aplicamos una d.d.p. a un semiconductor puro, el polo negativo de la pila atraer a los huecos dejando por tanto un

electrn libre en la estructura. El polo positivo atraer a los electrones quedando un hueco libre en la estructura. Se

mantendrn por tanto las concentraciones de huecos y electrones y el circuito funcionar como si tuviese una

resistencia de valor intermedio entre conductor y aislante.

b) Semiconductor tipo N

Se denomina dopado a la introduccin de elementos distintos del Ge o del Si en una red cristalina semiconductora.

Si a la red de Si o Ge le aadimos tomos de Sb (Antimonio)

o As (Arsnico) que poseen 5 electrones en su ltima capa,

estos tomos se integran en la red cristalina ocupando el

puesto que ocupar otro tomo de Ge o Si. Sin embargo

sobra un electrn del Sb o del As y tiende a salir de su rbita

para dejar al As o al Sb con 8 electrones en su ltima capa.

Obtenemos una estructura donde el nmero de electrones

libres es mayor que el de huecos libres (aunque la red sigue

siendo elctricamente neutra en conjunto).

Si sometemos a un semiconductor tipo N a una d.d.p los

electrones irn hacia el polo positivo mientras que los huecos

irn hacia el polo negativo, pero al haber ms electrones

libres que huecos dominara la circulacin de electrones.

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P N

c) Semiconductor tipo P

Si a la red de Si le aadimos tomos de Boro o Aluminio, que poseen tres electrones en su ltima capa ahora

tendremos un excedente de huecos puesto que el B o el Al slo pueden compartir 3 electrones.

Si aplicamos una d.d.p. al semiconductor P, los huecos

tendern a ir al polo negativo y una de electrones al polo

positivo, pero al haber ms huecos domina la circulacin de

estos.

d) La unin P-N

Recapitulando:

-Tipo P: n huecos > n electrones libres

-Tipo N: n electrones libres > n huecos

Si unimos un P con un N, los huecos de P quieren combinarse con los electrones de N. Huecos y electrones se encuentran en la interface (unin) y se neutralizan. Pero como la zona N ha ido perdiendo electrones, y la materia es neutra, queda cargada positivamente. As mismo, como la zona P ha ido perdiendo huecos y la materia es neutra, quedar cargada negativamente. Combinando ambos efectos, aparece una ddp llamada barrera de potencial, que cuando llega a un valor

determinado, se opone a que sigan circulando hacia la interface huecos y electrones.

EL DIODO

Se representa de la siguiente forma:

Surge como resultado de una unin P-N

- Si sometemos una unin P-N a una d.d.p. de manera que se oponga a la barrera de potencial hablaremos de polarizacin directa y se permite el paso libre de la corriente elctrica (con una pequea cada de potencial).

- Si sometemos una unin P-N a una d.d.p. de manera que aumente la barrera de potencial hablaremos de polarizacin inversa y no se permite el paso libre de la corriente elctrica.

El diodo tiene dos partes:

nodo (+) Ctodo (-)

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- Un circuito en polarizacin directa sera del tipo descrito a continuacin (nodo al polo positivo y ctodo al polo

negativo).

SE PERMITE EL PASO DE LA CORRIENTE SIN OPOSICIN

Se ilumina la lmpara

- Un circuito en polarizacin inversa sera del tipo descrito a continuacin (nodo al polo negativo y ctodo al polo

positivo).

NO SE PERMITE EL PASO DE LA CORRIENTE.

No se ilumina la lmpara

Por tanto, la curva completa, con sus principales parmetros queda:

Donde se observan tres zonas de trabajo diferenciadas:

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Aplicaciones

Los diodos de unin tienen dos aplicaciones bsicas: como rectificadores, y como conmutadores.

Rectificadores.

La propiedad ms obvia de la unin PN es su carcter unilateral, es decir, la corriente slo puede ir en una direccin. Recordemos que un diodo ideal es un interruptor, y un buen rectificador debe acercarse a esta caracterstica. La corriente inversa debe ser casi despreciable, y la tensin inversa de ruptura debe ser grande, mientras que la tensin umbral debe ser lo ms pequea posible.

A continuacin se muestra su smbolo normalizado y algunos diodos comerciales:

Conmutadores.

Ya hemos visto antes que si se considera el diodo como ideal, su comportamiento es como el de un interruptor. Por tanto, si conseguimos un diodo real donde el tiempo de respuesta sea mnimo, ya que el tiempo entre conexin y desconexin debe ser casi cero, habremos obtenido un diodo de conmutacin, Para que el diodo tenga estas propiedades se suele dopar con oro al semiconductor, para que disminuya el nmero neto de portadores.

A continuacin se muestra su smbolo normalizado.

Identificacin de los terminales de un diodo

Para poder identificar el nodo y el ctodo de un diodo, imprescindible para polarizarlo correctamente, se debe consultar el catlogo o las hojas de caractersticas o bien realizar una serie de comprobaciones.

Identificar un diodo a simple vista no resulta sencillo, pues no existe un criterio homogneo, sino que depende de su construccin:

Para los diodos pequeos con cubierta de vidrio, el ctodo suele estar indicado con un punto coloreado; si es de plstico, el ctodo se indica con una franja coloreada o bien con la extremidad redondeada.

En diodos ms grandes, el nodo suele estar indicado por un tringulo o por la letra A.

Pero es ms seguro y fiable acudir al uso del hmetro, con el siguiente procedimiento de comprobacin:

1. Se conecta el supuesto nodo del diodo con la punta positiva: 2. Si la lectura es baja, significar que existe conduccin y se confirmar que el terminal es el nodo. Invirtiendo las

puntas, se obtendr una lectura de una resistencia muy elevada, y tendremos los terminales identificados y el funcionamiento del diodo comprobado.

3. Si la lectura es alta, significar que no hay conduccin y por tanto el terminal medido es el ctodo.

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EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

El diodo LED (diodo emisor de luz o Light Emmiting Diode) es un diodo contaminado de una forma especial, de forma que cuando se polariza en forma directa los electrones que se recombinan con un hueco emiten energa en forma de radiacin dentro del espectro luminoso visible (si emiten radiacin infrarroja reciben la denominacin de IRED (Infra-Red Emitting Diode).

Utilizando diferentes materiales de contaminacin de la unin se consiguen distintas frecuencias de radiacin y con ello diferentes colores.

El resto del funcionamiento es igual que un diodo normal, aunque su cada de tensin en polarizacin directa suele ser algo mayor (1,5 a 2,2 V) tomando como medio un valor de 2 V. La corriente de excitacin directa depende del tipo de diodo LED y su color, estando comprendidas entre 10 mA y 50 mA.

Se ha de conectar una resistencia limitadora de polarizacin en serie con el LED, cuyo clculo se hace con la siguiente frmula:

R = (Vs - Vd) / Id

Ejemplo: para Vs = 12 V, Vd = 1,5 V , Id = 10 mA --> R = 1.050

Tienen la ventaja frente a las lmparas tradicionales de su gran duracin y resistencia a impactos y vibraciones, aunque su intensidad luminosa es limitada por lo que suelen utilizarse ms como sealizacin que como fuente luminosa.

Su representacin se realiza con un smbolo como el del diodo, pero con dos flechas sobre l apuntando al exterior, que representan la emisin de luz.

El encapsulado est formado por un material resinoso, al que se puede dar diferentes formas, tamaos y colores.

Una de sus patillas es ms larga que la otra para identificar el nodo y ctodo respectivamente.

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Un LED puede ser conectado a una alimentacin de corriente alterna. Para ello es necesario utilizar un diodo auxiliar, que elimine los semiciclos negativos de la tensin de entrada.

LEDs bicolores, tricolores e intermitentes

El LED bicolor es idntico, en su forma fsica, al de un solo color. La polaridad aplicada entre sus patillas determina el color de la radiacin emitida. Interiormente est formado por dos LED's conectados en antiparalelo. Esto hace que solamente se ilumine uno de ellos dependiendo de la conexin con la alimentacin.

El LED tricolor est formado por tres patillas, que corresponde a dos diodos conectados en ctodo comn. Conectado el ctodo a la masa de la alimentacin, cuando se aplica el positivo a una de las patillas, el LED emite un color, si se hace sobre la otra, el color obtenido es distinto. Si se alimentan las dos a la vez, la radiacin luminosa es una mezcla de ambos.

LEDs intermitentes. Su conexin y apariencia fsica es idntica al LED normal. Lleva incorporado un pequeo circuito integrado en su interior, que genera la frecuencia de destello.

Generalmente este tipo de LED no necesita resistencia limitadora para su conexin a la alimentacin.

Displays

El LED con forma rectangular alargada, se denomina segmento LED. Combinando en un mismo dispositivo varios segmentos LED se obtienen los denominados displays, que permiten crear caracteres alfanumricos.

El display ms sencillo es el constituido por 7 segmentos LED formando un ocho. Dependiendo de la combinacin que se realice con ellos, es posible obtener diferentes figuras, nmeros o letras. Estos se pueden encontrar en configuracin de nodo o ctodo comn dependiendo del terminal de los segmentos que se encuentran unidos interiormente.

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Matriz de puntos

Otro tipo de display con mayor precisin en la representacin de smbolos, es el llamado de matriz de puntos, que est formado por una serie de filas y columnas de LEDs circulares (8x8, 6x8, 5x7,...). Tienen la ventaja de poder ser apilados en horizontal y en vertical para obtener pantallas de gran tamao. Su mayor inconveniente es la complejidad del circuito que lo gobierna.

DIODO ZENER

El diodo zener es un diodo fabricado de manera especial para trabajar en zona de ruptura inversa sin que se destruya.

Ya sabemos, por anlisis de su curva de trabajo, que si se polariza inversamente un diodo normal, apenas circula corriente, unos pocos microamperios o nanoamperios a lo sumo (corriente inversa). Pero al aumentar en exceso la tensin inversa, se produce el efecto avalancha, con un aumento brusco de la corriente inversa que destruye el diodo.

Para evitarlo se fabrican los diodos zener, cuyo smbolo es alguno de los mostrados en las figuras:

Su comportamiento es el siguiente:

Polarizado directamente se comporta como un diodo normal, con una cada de tensin directa de unos 0,7 V.

Polarizado inversamente, prcticamente no conduce hasta llegar a la llamada tensin de zener (VZ) a que se produce el efecto avalancha o efecto zener, con un aumento muy grande de la intensidad para pequeos aumentos de la tensin. En la zona de trabajo la VZ permanece prcticamente constante para cualquier IZ.

Se fabrican diodos zener para gamas de tensiones de zener (VZ) desde 2 hasta 200 V:

3.9 V, 4.7 V, 5.6 V, 6.8 V, 8.2 V, 10 V, 12 V...

En el caso del diodo zener interesa la caracterstica de polarizacin inversa que, por comodidad, se representa de forma invertida. NO CONFUNDIR CON LA POLARIZACIN DIRECTA!!

En la figura siguiente se representan las curvas para diodos zener de tensiones de zener de 3,9 a 12 voltios:

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Su empleo fundamental es para mantener estable una tensin de salida a partir de una tensin de entrada que flucta entre determinados valores.

Los datos ms importantes que hay que tener en cuenta cuando tengamos que elegir un diodo zener para cualquier tipo de aplicacin son:

La tensin de zener, Vz, es aquella que con ligeras variaciones mantiene el diodo entre sus extremos cuando se polariza inversamente. Las variaciones de tensin se producen cuando cambia la corriente que atraviesa el diodo en sentido inverso. (Iz)

La potencia de zener, Pz, es el valor mximo que el elemento puede disipar cuando est polarizado, tambin en sentido inverso.

La corriente mxima de zener, Iz, se obtiene dividiendo la potencia por la tensin nominal. Si se sobrepasa esta corriente, el diodo queda inservible.

EL TRANSISTOR

En el ao 1942, los fsicos norteamericanos Bardeen, Brattain y Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia de dicho descubrimiento, se les concedi en 1956 el Premio Nbel de Fsica.

Exteriormente est formado por un caparazn o cpsula que puede tener diferentes formas, del que salen tres patillas metlicas, o ms tcnicamente dicho, tres electrodos o terminales y en algunos casos solamente dos ya que el tercer terminal lo forman el recubrimiento metlico de la cpsula.

La primera consecuencia del descubrimiento del transistor, fue que los aparatos electrnicos pudieron hacerse mucho ms pequeos, al ocupar el transistor un volumen mucho menor que las vlvulas electrnicas anteriormente empleadas. En la figura se muestra el dibujo de una vlvula en su tamao real y el correspondiente tamao de un transistor.

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Se redujo tambin mucho el consumo de corriente, porque las vlvulas necesitaban calentamiento y el transistor no.

El transistor es un semiconductor que dispone de tres zonas asociadas a tres electrodos (colector C, base B, y emisor E), podemos encontrar, por tanto, transistores NPN o PNP basndose en los mismos principios de funcionamiento.

En el transistor NPN, la base y el emisor forman, en este caso, una cohesin PN, de ah el sentido de la flecha en el smbolo. El funcionamiento, explicado de un modo simplificado, podra expresarse como, que a partir de una dbil corriente de base se gobierna una carga situada entre el colector y el emisor del transistor. Esto significa que pequeas corrientes elctricas pueden ser amplificadas, o lo que es lo mismo, que seales dbiles pueden transformarse en otras suficientemente fuertes.

La unin entre emisor-colector se comporta como un interruptor, abierto o cerrado, segn la presencia o no de corriente en la base.

Si bien existen otras configuraciones diferentes, esta es la ms empleada en electrnica de potencia, recibe el nombre de corte-saturacin.

Los transistores de potencia estn siendo desplazados por los transistores IGBT, con mejores caractersticas para la conmutacin.

La intensidad que atraviesa el emisor es igual a la intensidad que pasa por el colector ms la intensidad que pasa por la base.

IE=IC+ IB

Para polarizar este transistor hacen falta dos F.A. cuyos polos positivos estn conectados a la base y al colector, quedando el emisor al negativo de las dos F.A. Adems la tensin base-emisor (Vbe) debe ser superior a 0.7 V para que haya conduccin. De este modo surge la relacin Ie = Ic + Ib, donde se cumple que Ib < Ic, del orden de 100 veces menor.

Para polarizar un transistor correctamente debe tener la unin base-colector en inversa y la unin base-emisor en directa. Y adems debe tener resistencias que limiten la corriente por el mismo. Un ejemplo sera el de la figura:

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En la prctica no se utilizan dos F.A. para polarizar un transistor, sino solo una, y se logra la polaridad adecuada por medio de resistencias. La forma de conectar estas da lugar a los distintos tipos de circuitos de polarizacin.

Si se hace Ib suficientemente grande, la cada de tensin entre colector y emisor puede hacerse casi cero. Se dice entonces que el transistor est saturado, mientras que si Ib se hace cero la corriente por el transistor es nula y se dice que el transistor est en corte. Los transistores que funcionan en corte y saturacin no realizan funciones de amplificador, sino de conmutador.

En el transistor PNP, es la unin emisor-base la que forma la cohesin PN, lo que explica el sentido contrario de la flecha en el smbolo.

Invirtiendo la polaridad de las F.A. las corrientes tendrn el sentido opuesto al modelo NPN, pero las relaciones permanecen invariables.

Funcionamiento del transistor

El transistor es un componente de control y regulacin de la corriente elctrica, es decir, permite o se opone al paso de la

corriente y puede regular su intensidad. Es el componente ms importante de la electrnica, los microchips estn

formados por transistores en cantidades que oscilan desde unos pocos a varios millones.

El transistor se comporta como una vlvula que permite o no el paso de agua a la manera del siguiente esquema. Quizs el modo de trabajar de un transistor puedes fcilmente comprenderlo con un ejemplo ms fcil que podramos llamar: el transistor hidrulico

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Cuando no hay un chorro de agua que entre por B y venza la fuerza del muelle, la vlvula no permite la comunicacin

entre C y E, de manera que se comporta como si hubiese un interruptor abierto.

Sin embargo cuando el chorro que entra por B vence la fuerza del muelle, la vlvula se desplaza permitiendo la

comunicacin y el paso del agua de C a E. Adems segn la fuerza que lleve el chorro, la vlvula se abrir ms o menos

permitindonos regular la comunicacin entre C y E.

Elctricamente ocurre lo mismo, y podemos regular con precisin la intensidad que atraviesa el dispositivo con una

pequea corriente que entra por B. Es decir, si la intensidad IB=0, la intensidad IE=IC=0.

Esto mismo es lo que tenemos en los transistores elctricos, cambiando caudal de agua por corriente:

1. Por la base no se le suministra corriente: transistor no deja conducir entre colector y emisor. 2. Por la base se le suministra una pequea corriente: Se puede controlar el paso de corriente entre el colector y el

emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es mucho mayor que la corriente que le suministramos a la base.

3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circule la mxima corriente entre colector y emisor, se dice que el transistor est saturado y la corriente que se le suministra a la base es la necesaria para producir la saturacin del transistor.

Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturacin, mientras que cuando trabaja como

amplificador trabaja con corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor.

Los transistores se pueden catalogar en dos tipos principales:

Transistores de unin bipolar (BJT) (Bipolar Junction Transistor)

Transistores de efecto campo (FET) (Field-Effect Transistor)

La exposicin anterior define a los TRT bipolares que, a da de hoy, es el dispositivo habitualmente empleado en conversin de energa.

Basndonos en la tensin que pueden soportar en rgimen dinmico (evolucin en el tiempo), podemos distinguir tres grandes familias:

Tensiones hasta 250 V.

Tensiones entre 250 y 500 V.

En alta tensin, para tensiones superiores a 700 V.

La aplicacin que ms nos interesa es la fabricacin de reguladores de conmutacin que funcionan directamente a partir de la red de 400/420 V rectificada.

Para definir las diferentes configuraciones en funcin de las zonas de trabajo, empezaremos por definir la funcin de cada terminal del TRT.

El emisor: es el encargado de inyectar portadores en la base (huecos en PNP, electrones en NPN). La base: determina el estado de conduccin o bloqueo del TRT. El colector: Es el encargado de recoger los portadores de la base, que en su mayora han sido inyectados por el emisor.

Recibe el nombre de zona de trabajo, cada una de las cuatro combinaciones que se pueden obtener variando el sentido de las tensiones aplicadas a las uniones del TRT, siendo estas:

Zona activa: Unin emisor-base polarizada directamente, colector-base en inversa. El TRT se comporta como un amplificador de seal.

Zona de corte: Ambas uniones estn polarizadas en inverso. El TRT se comporta como un interruptor abierto.

Zona de saturacin: Ambas uniones estn polarizadas directamente. El TRT se comporta como un interruptor cerrado.

Zona activa inversa: La unin base-emisor en inversa, y colector-base en directo. No se suele emplear, ya que su comportamiento es como el de activa pero con valores de amplificacin muy inferiores a esta.

Las zonas de corte y saturacin se emplean en electrnica digital y de potencia, mientras que la zona de amplificacin se utiliza en electrnica analgica.

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PRUEBA DE TRANSISTORES Para la prueba de transistores debemos identificar primero sus terminales, los cuales son Base, Colector y Emisor, adems si se trata de un transistor del tipo NPN o PNP, como se describe a continuacin.

1. Seleccione en el multmetro la escala de diodos.

2. Observe la referencia del transistor, la mayora de los transistores que comienzan su referencia con las letras C y D son del tipo NPN, y los que comienzan con las letras A y B suelen ser del tipo PNP.

3. Si el transistor es NPN, entonces tome la punta positiva del tester o multmetro (punta roja) toque y

mantenga la punta sobre uno de los terminales del transistor, ahora con la punta negativa (punta negra) toque los dems terminales. El terminal que marque con los otros 2 terminales, ser la base, de los otros 2 terminales el que marque menor resistencia con la base, ser el colector y obviamente el otro ser el emisor. Para el transistor PNP repita este procedimiento pero comenzando con la punta negativa para identificar a la base del transistor.

4. Una vez identificado el transistor, fjese en las lecturas obtenidas entre la base con el colector y el emisor,

debe medir el valor de las junturas entre los terminales que comnmente es de 400 a 700 v.

5. Si al realizar la prueba del transistor, la lectura es 0 v el transistor esta en corto circuito, si se obtiene alguna lectura entre colector y emisor, el transistor tiene una fuga, si no obtenemos ninguna lectura se debe a que el transistor se encuentra en circuito abierto.

6. Recuerde que los transistores tambin poseen un parmetro llamado hfe, que representa el nivel

de ganancia del transistor, los multmetros traen la opcin de probar este parmetro, simplemente introduzca el transistor en el orden correspondiente.

PRACTICA: Polarizacin de un transistor por divisin de tensin. Material:

Transistor BC547A o equivalente. Resistencias de 10 K y 15 K. Resistencias de 100 y 470 . F.A. de 4,5 voltios.

Herramientas: Polmetro. Placa de prototipos (Board)

Proceso: 1. Toma el transistor y con ayuda del hmetro comprueba sus uniones El transistor es PNP o NPN? Cul de sus

terminales es la base? Crees que est en buen estado o por el contrario es defectuoso? 2. Realiza el circuito de la figura en la placa Board, prestando especial atencin a la correcta conexin de los

terminales del transistor. 3. Conecta el circuito a la F.A. y mide la cada de tensin que existe entre colector y emisor. Est el transistor bien

polarizado o por el contrario est cerca de la saturacin o del corte? 4. Mide la corriente de base y la de colector. Cuntas veces es ms grande la corriente de colector que la de base? 5. Simula el circuito tambin con el programa Multisim y comprueba los resultados con la realidad.

Q1

BC547A

R1100

R2470

R310k

R415k

V14.5 V

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INTRODUCCIN A LOS RECTIFICADORES

Rectificar una seal alterna consiste en obtener una tensin unidireccional de valor medio no nulo. Este valor puede ser positivo o negativo, segn las necesidades requeridas por el circuito al que se le aplica la alimentacin.

A continuacin se representa la grfica de una forma de onda de corriente alterna. Es una onda senoidal pura con un valor instantneo v(t) y un valor mximo Vmax.

Una onda como la mostrada tiene un valor medio igual a cero en un ciclo entero, porque el valor de cada semiciclo tiene un valor igual y opuesto al semiciclo posterior. Si esta seal indicase diferencia de potencial y la midiramos con un voltmetro de corriente continua, marcara 0, porque un voltmetro de corriente continua indica el valor medio.

La rectificacin en media onda consiste sencillamente en eliminar un semiperodo de la tensin alterna aplicada a la entrada, obtenindose a la salida del rectificador exclusivamente la mitad de la seal.

En la rectificacin en doble onda o de onda completa, los dos semiperodos de la tensin alterna aplicada a la entrada pasan a tener la misma polaridad.

En algunas aplicaciones se requiere, adems de una tensin unidireccional, un reducido valor de las ondulaciones. Para determinar la magnitud de las ondulaciones respecto del valor medio se utilizan dos coeficientes:

El factor de forma de una magnitud ondulada (es decir, formada por una componente continua y por otras variables, que llamamos ondulaciones) es la relacin entre el valor eficaz total de dicha magnitud ondula y su valor medio.

El grado de ondulacin denominado comnmente factor de rizado de cualquier magnitud ondulada es la relacin entre el valor eficaz de la ondulacin exclusivamente y su valor medio.

Para poder materializar la funcin de rectificar, es necesario utilizar elementos electrnicos que dejen pasar la corriente en un solo sentido, generando una pequea d.d.p. entre sus extremos, permaneciendo en estado de bloqueo cuando la tensin aplicada sea de polaridad contraria.

Rectificador de media onda

En el rectificador de media onda, el diodo conduce durante los semiciclos positivos pero no durante los semiciclos negativos. A causa de esto, el circuito recorta los semiciclos negativos. El componente ms adecuado y ms empleado para rectificar es el diodo semiconductor.

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Rectificacin en media onda: Dada la caracterstica de conduccin en un nico sentido de los diodos, se realiza simplemente conectando un diodo en serie con la resistencia de carga, como se muestra en el circuito de la figura.

Su funcionamiento es el siguiente:

En el instante en que los valores de tensin alterna senoidal a la entrada son positivos, y superiores a la tensin de umbral del diodo, este se polariza directamente y, por tanto, aparece una corriente elctrica por la carga.

En el instante en que la tensin a la entrada se hace negativa, el diodo queda polarizado inversamente y la corriente se interrumpe. Por esta razn, este semiciclo no aparece a la salida.

Despreciando la tensin en el diodo en polarizacin directa (unos 0,6 V), la tensin de salida tiene la forma:

En realidad la onda de salida es unos 0,6 voltios inferior a la de la fuente debido a la cada de tensin en el diodo y, en polarizacin inversa, existe una pequea intensidad de fugas de algunos A, despreciable para la mayora de aplicaciones.

Valor de continua de la seal de media onda en la resistencia:

Vmed = Vmax / = VCC

El valor de continua de la seal es el mismo que el valor medio. Si mide una seal con un voltmetro de continua, la lectura ser igual al valor medio. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de montaje completo y las ondas de entrada y salida:

Frecuencia de salida:

fout = fin La frecuencia de salida es la misma que la frecuencia de entrada, ya que cada ciclo de la tensin de entrada produce un ciclo de la tensin de salida.

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Rectificador de onda completa

El rectificador de onda completa acta como dos rectificadores de media onda superpuestos.

La rectificacin en doble onda: Es posible realizarla mediante dos sistemas distintos: puente rectificador de diodos que lo estudiaremos en esta pgina y rectificador de doble onda con toma intermedia, que lo estudiaremos en la pgina siguiente.

El puente rectificador de diodos o puente de Graetz: es un circuito formado por cuatro diodos, independientes o, encerrados en un nico componente compacto.

Como se ve en el esquema anterior y en la figura siguiente, los ctodos de D1 y D3 se conectan a uno de los terminales de la carga, y los nodos de D4 y D2 al otro terminal. El nodo de D1 se conecta con el ctodo de D4 y con una de las salidas de la fuente de alterna. El nodo de D3 con el ctodo de D2 y a la otra salida de la fuente.

Como resultado, la corriente por la carga rectificada circula durante ambas mitades de los ciclos.

Su funcionamiento es el siguiente:

Durante el semiperodo positivo D1 y D2 conducen; por el contrario D3 y D4 permanecen bloqueados, como muestra la imagen:

Durante el semiperodo negativo conducen D3 y D4 y no conducen D1 y D2, como muestra la imagen:

La tensin en la carga tiene siempre la misma polaridad, ya quela direccin de la corriente que se establece por la carga es la misma en los dos casos, como se puede comprobar en ambas figuras. Por tanto, la forma de onda obtenida es:

Valor medio de la tensin rectificada:

Vmed = 2Vmax / = VCC

Como el puente rectificador produce una salida de onda completa, el valor medio ahora ser el doble que para un rectificador de media onda.

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Valor de la frecuencia de salida:

fout = 2fin

Con un rectificador de media onda la frecuencia de salida es igual a la de entrada. Pero con un rectificador de onda completa algo inusual le sucede a la frecuencia de salida y es que el valor es el doble de la frecuencia de entrada, ya que una salida de onda completa invierte cada semiciclo negativo, as que se obtienen el doble de semiciclos positivos. El efecto es duplicar la frecuencia.

Otras formas de representarlo, muy empleada, ya que los programas informticos y simuladores, en muchos casos, slo permite dibujar componentes en horizontal y en vertical, es como se muestra en las figuras:

A continuacin se muestran algunas imgenes comerciales de los mismos. Destacar que la diferencia entre un puente monofsico y uno trifsico, externamente, es el nmero de patillas o conexiones (4 el primero y 5 el segundo)

Rectificador de onda completa. Rectificador de doble onda con toma intermedia

Rectificador de doble onda con toma media recibe el nombre por la necesidad de utilizar un transformador de estas caractersticas, cuyo secundario ha de proporcionar un valor de tensin doble al que se requiere en la carga.

Slo necesita dos diodos. Los extremos del trafo se conectan al nodo de sendos diodos, cuyos ctodos se conectan a uno de los extremos de la carga, conectndose el otro a la toma media del trafo.

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En este caso el nmero de diodos es la mitad que en el anterior, sin embargo, la tensin necesaria en el secundario del transformador es el doble.

Configurado el circuito como se aprecia en la figura siguiente, se produce la conduccin de cada diodo en semiperiodos consecutivos, manteniendo, igual que en la configuracin en puente, la misma polaridad en ambos semiperiodos sobre la carga

Valor medio de la tensin rectificada:

Vmed = 2Vmax / = VCC

Valor de la frecuencia de salida:

fout = 2fin

Los valores, tanto valor medio como frecuencia, coinciden con los del puente rectificador.

Rectificador trifsico de media onda.

Este tipo de circuito es muy poco utilizado, porque los aparatos suelen ser bastante exigentes en cuanto a la calidad de la onda, la cual, deja mucho que desear en este circuito. La onda sale con un rizado muy pronunciado.

Como se puede observar, el transformador tiene un punto intermedio que es donde se descarga la carga que alimenta el rectificador. En cuanto a la relacin entre las distintas tensiones e intensidades tenemos que:

Vd = 0,6* Vv y Id = 1,7* Iv.

Rectificador trifsico de onda completa.

En el caso que necesitemos un rectificador para mediana o gran potencia, el circuito de aqu es el ideal, de hecho es el ms utilizado. La seal sale con menos rizado que en el anterior circuito y el aprovechamiento del transformador es muchsimo ms eficaz.

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La seal de salida es muy parecida a la seal de la corriente continua pura. El rizado viene a ser los huecos existentes entre las crestas de los semiciclos, que en el caso de este circuito son bastante pequeos. En cuanto a la relacin entre las distintas tensiones e intensidades tenemos que:

Vd = 1,3* Vv Id = 1,2* Iv.

Elemento de filtrado

Son circuitos que seleccionan el paso de seales senoidales en funcin de su frecuencia, permitiendo el paso exclusivo de las comprendidas en un determinado ancho de banda. Aunque la seal una vez rectificada ya no es alterna senoidal pura, todava no es una seal continua con un valor constante a lo largo del tiempo, sino que su valor cambia. Por eso ser preciso someter a esta seal a un proceso de filtrado que alise los continuos cambios de amplitud (ondulaciones) que todava tiene. Un filtro es una red de componentes que seleccionan el paso de seales en funcin de su frecuencia. En una fuente de alimentacin se usa un filtro paso bajo utilizando un condensador de gran capacidad, para eliminar en lo posible las ondulaciones de frecuencia que quedan despus del proceso de rectificado, as la seal quedar con una amplitud mucho ms constante. A la ondulacin resultante del proceso de rectificado se la denomina rizado, presencia en mayor o menor cantidad es un sntoma de la calidad de la fuente alimentacin, en concreto de su etapa de filtrado que es la encargada de atenuarlo al mximo.

La siguiente expresin define el valor eficaz de la tensin de rizado, que se aproxima a una onda en diente de sierra

Vr = Icc/(4 x 3 x C x f)

Con el objeto de tener una idea de la cantidad de rizado que presenta una fuente y poder valorar su calidad, se utiliza un coeficiente que nos permite un fcil anlisis de la cantidad de rizado que presenta una fuente de alimentacin. Este coeficiente se denomina factor de rizado o grado de ondulacin (Fr) y es como la relacin entre el valor eficaz de la tensin de rizado y el valor medio o componente de continua de la tensin de salida.

Fr = Vr/Vcc

El valor ideal de Fr es cero, pues indicara que no hay rizado y la seal en la carga es solo continua. Por otro lado, el valor mximo para el factor de rizado se obtiene cuando la salida es igual a la tensin de un rectificador sin filtro. En este caso el factor de rizado se obtiene de la relacin entre la Vr de la componente de alterna principal (el primer armnico) y de la componente de continua Vcc, y su valor aproximado es 0,48 para un rectificador de doble onda.

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Bsicamente los filtros se encuentran formados por condensadores y bobinas, y se sitan a continuacin del rectificador. El filtro ms utilizado es colocar en paralelo con la resistencia de carga un condensador. Este condensador se carga cuando los diodos conducen y se descarga sobre la resistencia de carga en el intervalo en que los diodos dejan de conducir. La efectividad de un filtro depender de la duracin del intervalo en el que los diodos no conduzcan ya que es cuando tendr que suministrar corriente a la recia de carga. As, el mismo filtro funcionar mejor en una seal rectificada de doble onda que en uno de media onda, ya que el intervalo de trabajo de la primera es menor. Existen en en el mercado fuentes de alimentacin econmicas que solo llevan las etapas vistas hasta ahora: transformador + rectificador + filtro, aunque tienen el problema de un rizado apreciable y una disminucin de tensin de salida cuando la intensidad por la carga aumenta.

Otro filtro ms eficaz es el filtro en "PI". Estos mejoran la tensin de salida pero resultan ms caros, voluminosos y pesados por contener bobinas. Con la aparicin de los circuitos regulados su uso en pequeas potencias se ha reducido, quedando relegados nicamente a fuentes de alimentacin de gran potencia.

Elemento regulador

Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensin de salida de valor exacto al que queramos.

Hasta ahora hemos definido las fuentes de alimentacin bsicas, pero si necesitamos un menor rizado y una tensin de salida estable hay que aadir nuevas etapas a continuacin del filtro.

Una de estas etapas es la de estabilizacin, cuya misin es conseguir un voltaje de salida lo ms estable posible, pues el voltaje de salida de un rectificador con filtro no es constante y su valor depende del voltaje de entrada, de la intensidad que sorbe la carga o de ambos a la vez.

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En la mayora de los circuitos, se utilizan reguladores integrados sustituyendo a los diodos zner, ya que tienen prestaciones mucho mejores a las que podemos obtencin FA estabilizadas con diodos zner. En ocasiones y para determinadas aplicaciones puede ser suficiente construir una fuente de alimentacin estabilizada con un diodo zner y una resistencia de proteccin.

Los reguladores integrados pueden encontrarse con tres o ms patillas, siendo los ms comunes los de tres patillas y ofrecen unas caractersticas ms que suficientes para la mayora de las aplicaciones. Entre estas podemos destacar la limitacin de corriente, la proteccin contra temperaturas excesivas y una amplia gama de tensiones e intensidades de salida. Un regulador integrado consiste bsicamente en un dispositivo que presenta una referencia de voltaje estable y un amplificador de error de alta ganancia.

Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida ser del 0.001%, es decir, inapreciable. Las ideas bsicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son:

La tensin entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable, que depender del modelo de regulador que se utilice.

La corriente que entra o sale por el terminal GND es prcticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el regulador.

La tensin de entrada Vin deber ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento.

EL TIRISTOR

El tiristor es un componente electrnico o semiconductor de cuatro capas, formado por una estructura de materiales de tipo PNPN con tres terminales denominados: nodo (A), ctodo (K) y puerta (G), que no slo puede rectificar una corriente alterna, sino que tambin puede controlar el paso de sta a travs de l. El tiristor fue desarrollado por General Electric en los aos 60. Aunque un origen ms remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de fsica en 1956) en 1950, en los laboratorios Bell en 1956. El tiristor o rectificador controlado de silicio es uno de los componentes ms caractersticos de la electrnica de potencia. El tiristor o SCR (Silicon Controlled Rectifier), es un componente que se emplea especialmente en circuitos rectificadores de corriente alterna. Est constituido por materiales semiconductores con realimentacin interna para producir una conmutacin. Su principal aplicacin es la de control de potencia elctrica. Su forma de trabajo es como la de un diodo convencional, visto en la unidad cuatro, ya que permite el paso de corriente solo en un nico sentido de circulacin; sin embargo, se diferencia de este por el hecho de que su conduccin est regulada por la accin de uno de los tres electrodos que posee. El tiristor est compuesto por cuatro capas PNPN, de ah que el equivalente a un tiristor puede ser la unin de dos transistores bipolares, y tres electrodos: el nodo (A), el Ctodo (K) y la Puerta (G) que sirve como terminal de control.

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Sin embargo el tiristor se diferencia del diodo en que no deja pasar una corriente apreciable, aunque tenga polaridad directa, hasta que la tensin de nodo sea igual o superior que un valor llamado tensin de ruptura directa, de disparo o tensin de cebado. Cuando se alcanza esta tensin, el tiristor se dispara y pasa a conduccin.

El smbolo caracterstico que identifica a un tiristor es el siguiente:

Un tiristor no slo puede rectificar una corriente alterna, sino que tambin puede controlar el paso de sta a travs de l, a travs del terminal Puerta (G), que controla el paso de corriente a travs del propio tiristor.

En las siguientes figuras se muestran algunos tipos de encapsulados e imgenes de tiristores comerciales.

Funcionamiento del tiristor

Suponiendo que entre el nodo y ctodo hay una tensin, VAK, y no existe circulacin de corriente a travs del tiristor, es decir, no circula corriente de nodo a ctodo, en estas circunstancias el transistor, Q1, se encuentra en corte y, por lo tanto, el transistor, Q2, tambin, por lo que no hay circulacin de corriente por estar ambos transistores en corte.

La nica causa que haga que se produzca circulacin de corriente debe provenir del exterior, a travs de la puerta, G, del propio tiristor. Si a travs del terminal de puerta introducimos un impulso positivo de tensin elctrica, provocando que Q1 pase a conduccin, originndose con esto una corriente de base hacia Q1 provocando que tambin Q1 pase del corte a la conduccin, cuanto ms conduzca Q2 ms conducir Q1, que producir a su vez ms corriente de base para Q2 y as sucesivamente, hasta que tanto Q1 como Q2 se encuentren saturados. Cuando ambos transistores se encuentren saturados, existir una corriente de circulacin desde nodo hacia ctodo, solo limitada por la carga externa, sobre la que se quiere regular su potencia mediante el tiristor.

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De lo anterior deducimos que ser el terminal de puerta, G, por donde se dispare el tiristor, mediante un impulso elctrico. Cuando el tiristor se ha disparado ya no es necesario introducir ningn tipo de impulso por el terminal de puerta para que dicho tiristor siga disparado o en conduccin. Para conseguir el bloqueo o no conduccin del tiristor, la tensin entre nodo y ctodo debe ser negativa, es decir, que el ctodo sea ms positivo que el nodo o la tensin VAK, caiga por debajo de un cierto nivel (denominado nivel de mantenimiento), en estas circunstancias, ambos transistores volvern a estar en corte y, por lo tanto, una nueva conduccin de dicho tiristor se conseguir introduciendo un nuevo disparo en la puerta, G. En la actualidad se fabrican tiristores de diversas capacidades de corriente y, en consecuencia, con encapsulados de diferentes tamaos. As pues, los tiristores de baja corriente soportan corrientes de nodo menores de un amperio, y presentan el aspecto de un transistor con tres terminales. Los tiristores de alta corriente soportan corrientes del orden de centenares de amperios, y se pueden montar sobre disipadores de calor.

Funcionamiento como regulador

El funcionamiento de los tiristores es principalmente en corriente alterna, aunque su uso se puede extender tambin a la corriente continua. Un ejemplo de conexin de un tiristor con una determinada carga es el mostrado en la siguiente figura:

Como se puede ver, la carga se encuentra en serie con el tiristor, luego la intensidad que circula a travs de ste se encontrar limitada por la propia resistencia de carga.

Como la tensin de alimentacin es alterna, cuando el tiristor conduzca slo dejar pasar corriente en aquellos semiciclos positivos de tensin, los cuales hacen que el nodo del tiristor sea ms positivo que su ctodo. Por el contrario, el tiristor se encontrar bloqueado en los semiciclos negativos de la tensin alterna de entrada, no permitiendo, en este caso, paso alguno de corriente.

La regulacin bsicamente radica en disparar el tiristor, introduciendo un impulso de entrada en el terminal de puerta, en el momento adecuado. Si el impulso de puerta se aplica al inicio del semiperiodo positivo, el tiristor conducir durante todo el semiperiodo.

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Una vez disparado el tiristor y pasar a la conduccin, no ser necesario mantener el impulso en el terminal de puerta para que ste siga activado o disparado, se aplica el impulso durante un corto periodo de tiempo y el tiristor conducir durante el tiempo que dure dicho semiperiodo positivo, pasando al bloqueo en el mismo momento en el que se inicia el semiperiodo negativo.

Si ahora se aplica un impulso en el terminal de puerta pasado un determinado tiempo correspondiente, por ejemplo, despus de haberse iniciado el semiperiodo positivo, el tiristor solo conducir o permanecer activo durante el resto de dicho semiperiodo.

Con lo que deducimos que variando el ngulo de fase en el que se dispara el tiristor, se podr variar la potencia entregada a la carga en un margen que variar desde 0% al 50% de la potencia total, hay que recordar que la mxima potencia entregada a la carga ser del 50%, puesto que el tiristor solo dejar pasar los semiperiodos positivos, encontrndose bloqueado durante los semiperiodos negativos.

Estados de un tiristor

Estado de bloqueo.

Si la tensin en bornes del tiristor es negativa (VAK< 0), la corriente es prcticamente nula para cualquier valor de la tensin de polarizacin inversa que no supere la tensin inversa de ruptura (VBOR) (BreakOver Reverse), en la que se produce la destruccin del componente por avalancha. El tiristor no conduce, se comporta como un interruptor abierto. Se encuentra en estado de "bloqueo inverso".

Si la tensin en bornes del tiristor es positiva (VAK > 0) y no existe ninguna seal aplicada a la puerta el tiristor, sigue estando en bloqueo mientras la tensin en bornes del tiristor no sea igual a la tensin directa de ruptura (VBO) (BreakOver). Hasta dicho valor, el tiristor sigue comportndose como un circuito abierto. Se encuentra en estado de "bloqueo directo".

Estado de conduccin.

Si no existe ninguna seal aplicada a la puerta y la tensin en bornes del tiristor es igual al valor de ruptura directa, la corriente a travs del dispositivo crece de forma brusca, y se establece la conduccin. (Trazo rojo de la figura). No se aconseja esta forma de establecer la conduccin, ya que el elemento no ha sido diseado para soportar dicha corriente y puede destruirse.

Si con polarizacin directa (VAK> 0) se introduce por el terminal de puerta una corriente de disparo IG, se produce una corriente de elevado valor que cebar el tiristor. (Trazo verde). El tiristor conduce y la cada de potencial entre sus bornes es muy pequea VT, tpicamente del orden de 1 V, comportndose idealmente como un cortocircuito. Cuanto menor sea la tensin aplicada en bornes del tiristor, mayor deber ser la corriente aplicada a la puerta para cebar al componente.

Una vez que un tiristor est en modo de conduccin, el circuito de la puerta no tiene ningn control y el tiristor contina conduciendo. En estas condiciones, si se desea volver el tiristor al estado de bloqueo, ser necesario disminuir la corriente de nodo por debajo de un valor de mantenimiento. En el caso en que se haga desaparecer la corriente de puerta, la corriente de nodo necesaria para desactivar el tiristor bastar con que sea inferior a un valor llamado corriente de enganche. (La corriente de enganche es superior a la corriente de mantenimiento.)

Como la puerta no puede ordenar la interrupcin de la corriente establecida, deber interrumpirse por otros medios:

En corriente continua debe incluirse el elemento que haga cesar la corriente

En corriente alterna sta se interrumpe por s misma cuando se hace cero en el paso de un semiciclo al siguiente

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En resumen:

Al aumentar la tensin aplicada entre nodo y ctodo (VAK) apenas conduce hasta que se supera la tensin de ruptura (Vd). Entonces se comporta como un interruptor cerrado aumentando rpidamente la corriente.

La curva est realizada para una intensidad de puerta nula (trazo rojo). Si se activa la corriente de disparo en la puerta (trazo verde), el SCR pasa directamente a la conduccin sin necesidad de llegar a la tensin de ruptura. As, los terminales nodo y ctodo se comportan como un circuito abierto hasta que se de un impulso a la puerta, en ese momento pasan a comportarse como un interruptor cerrado dejando pasar la corriente.

1. Bloqueo

Inverso: VAK 0, IG = 0

VAK = VBO (Desaconsejable)

A continuacin se muestran algunos de los tipos de encapsulados e imgenes comerciales de los tiristores.

Curva caracterstica

La curva caracterstica de un tiristor representa la relacin existente entre la intensidad IA en funcin de la tensin VAK

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La curva caracterstica del tiristor nos dice que cuando la tensin entre nodo y ctodo (VAK) es cero la intensidad de nodo tambin lo es. En el primer cuadrante observamos que hasta que no se alcance la tensin de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara, pero cuando se alcanza dicha tensin, se percibe un aumento de la intensidad en el nodo (IA), adems de disminuir la tensin entre nodo y ctodo (VAK), comportndose as como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensin de bloqueo ser necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2), ya que de esta forma se modifica la tensin de cebado de este. Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, es decir, en el primer cuadrante de la curva. Cuando se polariza inversamente se observa una dbil corriente inversa o corriente de fuga hasta que alcanza el punto de tensin inversa mxima que provoca la ruptura del mismo. Las conclusiones que se derivan son:

Cuando la tensin VAK = 0, la intensidad IA = 0.

Al aumentar la tensin VAK en sentido directo, comprobamos que VD alcanza un valor mnimo, producindose el cebado.

Cuando el tiristor se hace conductor y cae la tensin VAK, aumenta la intensidad de nodo IA.

Si se polariza de forma inversa el tiristor, puede comprobarse cmo aparece una pequea corriente inversa de fuga hasta que se alcanza la mxima tensin inversa que provoca la destruccin del tiristor.

Deducimos tambin que el tiristor es conductor solo en el primer cuadrante, donde el disparo ha sido provocado por aumento de la tensin directa VAK

La tensin de disparo, VD ser tanto menor cuanto mayor sea la intensidad de puerta.

Caractersticas de los tiristores

Sus principales caractersticas son:

Soportar tensiones e intensidades elevadas.

Es capaz de controlar grandes potencias.

Puede considerarse como un interruptor casi ideal.

Es apto para aplicaciones en electrnica de potencia.

Se puede controlar de forma sencilla.

A su vez, las caractersticas pueden ser estticas y de control.

Caractersticas estticas: corresponden a la regin nodo-ctodo y son los valores mximos que el tiristor puede tomar. Estas caractersticas las suministra el fabricante. El tiristor no deben trabajar con valores superiores a los descreitos por el fabricante, siendo las ms importantes:

Tensin inversa de pico de trabajo, VRWM

Tensin directa de pico repetitiva, VDRM

Tensin directa, VT

Corriente directa media, ITAV

Corriente directa eficaz, ITRMS

Corriente directa de fugas, IDRM

Corriente inversa de fugas, IRRM

Corriente de mantenimiento, IH

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Caractersticas de control o de mando: corresponden a la regin puerta-ctodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Las ms importantes son:

Tensin directa mx, VGFM

Tensin inversa mx., VGRM

Corriente mxima, IGM

Potencia mxima, PGM

Potencia media, PGAV

Tensin puerta-ctodo para el encendido, VGT

Tensin residual mxima que no enciende ningn elemento, VGNT

Corriente de puerta para el encendido, IGT

Corriente residual mxima que no enciende ningn elemento, IGNT

Siendo las ms importantes:

VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

VGNT e IGNT, que dan los valores mximos de corriente y de tensin, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.

Caractersticas dinmicas: Son las que definen al tiristor cuando se encuentran trabajando en un determinado circuito.

Tensiones transitorias: son breves y de gran amplitud. La tensin inversa de pico no repetitiva, VRSM 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. A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos y el tiempo mximo de cada impulso est limitado por la temperatura media de la unin.

ngulos de conduccin: En un tiristor, la corriente y tensin media dependen del ngulo de conduccin, por lo que:

A mayor ngulo de conduccin, se obtiene a la salida mayor potencia.

Un mayor ngulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ngulo de conduccin. Por lo que: ngulo de conduccin = 180 - ngulo de disparo

Conociendo la variacin de la potencia disipada en funcin de los diferentes ngulos de conduccin podremos calcular las protecciones necesarias.

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Disparo o activacin de tiristores

El funcionamiento de un tiristor emula a un rel. En el estado de conduccin, la impedancia es muy baja y permite circular grandes de niveles de corriente con una tensin nodo-ctodo del orden de 1V. En estado de corte, la corriente es prcticamente nula y se comporta como un circuito abierto.

Activacin o disparo por puerta.

Es el mtodo ms comn para disparar un tiristor y consiste en aplicar una corriente en su puerta. Los niveles de tensin y corriente de disparo en la puerta deben estar dentro de unos valores de seguridad, zona de disparo de seguridad. Si se sobrepasa ese lmite puede no dispararse el tiristor o puede deteriorarse el dispositivo.

Adems, el disparo debe tener una duracin que depende del tiristor, los valores aproximados son del orden de 1seg para que resulte eficaz. El tiempo de conexin o de activacin es el tiempo que tarda en conducir el tiristor desde que se ha producido el disparo. Los valores tpicos de tiristores comerciales estn alrededor de 1 a 3seg.

Activacin o disparo por luz.

Un haz luminoso dirigido hacia una de las uniones del tiristor provoca su disparo. Los tiristores disparados por luz se llaman LASCR y sus derivados (foto-TRIAC, opto-TRIAC, etc).

Activacin por tensin de ruptura.

Una aumento de la tensin nodo-ctodo puede provocar fenmenos de ruptura que activa el tiristor. Esta tensin de ruptura directa (VBO) solamente se utiliza como mtodo para disparar los diodos de cuatro capas.

Disparo por aumento de dv/dt.

Un rpido aumento de la tensin directa de nodo ctodo puede producir una corriente transitoria de puerta que active el tiristor. Generalmente se elimina este problema utilizando circuitos de proteccin basados en R, C o L. El valor de los disparos deben estar comprendidos entre 5V/seg a 500V/seg.

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Bloqueo de un tiristor

El bloqueo de un tiristor es el proceso de poner en estado de corte al tiristor. Puede realizarse de tres formas: conmutacin natural, polarizacin inversa o conmutacin por puerta.

Conmutacin natural.

Cuando la corriente del nodo se reduce por debajo de un valor mnimo, llamado corriente de mantenimiento, el tiristor se corta. Sin embargo, hay que sealar que la corriente nominal de un tiristor es del orden de 100 veces la corriente de mantenimiento. Para reducir esa corriente es preciso abrir la lnea, aumentando la impedancia de carga o derivando parte de la corriente de carga a un circuito paralelo, es decir, cortocircuitando el dispositivo.

Corte por polarizacin inversa.

Una tensin inversa nodo-ctodo tender a interrumpir la corriente del nodo. La tensin se invierte en un semiperiodo de un circuito de alterna, por lo que un tiristor conectado a la lnea tendr una tensin inversa en un semiperiodo y se cortar. Esto se llama conmutacin por fase o conmutacin de lnea alterna.

Corte por puerta.

Algunos tiristores especialmente diseados, como los GTO, se bloquean con una corriente de puerta negativa. El tiempo de conmutacin en corte es el tiempo que tarda en bloquearse un tiristor. Con conmutacin natural su valor est comprendido entre 1 a 10seg, mientras que conmutacin forzada puede ser de 0.7 a 2seg. Sin embargo, existen gran variedad de tiristores diseados para tener tiempos de conmutacin muy bajos.

Aplicaciones de los tiristores.

Las aplicaciones ms importantes de los tiristores son:

Rectificacin de corriente o carga de bateras o soldaduras o regulacin de fuentes de alimentacin

Control de velocidad de motores o mquinas herramientas

Sustitucin de dispositivos electromecnicos. Interruptor o rels o protectores de sobre carga o graduadores de iluminacin o sistema de encendido de motores de explosin o control de temperatura con termopares

Regulador, ya que permite ajustar el momento preciso de cebado por lo que controlamos la la potencia o la corriente media de salida.

Amplificador: puesto que la corriente de mando puede ser muy dbil en comparacin con la corriente principal, se produce un efecto de amplificacin en corriente o potencia. En ciertas aplicaciones esta ganancia puede ser de utilidad.

Un ejemplo de aplicacin del tiristor como regulador sera: La luminosidad de las lmparas de incandescencia, se puede controlar, controlando el ngulo de disparo de tensin, a travs de un tiristor, en los bornes de dichas lmparas.

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El diodo D1 hace de rectificador de onda, de modo que el condensador C1, se carga a travs de la resistencia R1 en cada semiperodo positivo de la tensin de red. Mediante el potencimetro R2 hacemos que la tensin de puerta sea mayor o menor en funcin de dnde est situado su cursor. Si el cursor est cercano al terminal superior del potencimetro, la tensin de puerta en cada semiperodo positivo ser mayor y, por lo tanto, el tiristor comenzar antes a conducir, ngulo ms pequeo. Sin embargo, si el cursor est ms prximo al terminal inferior del potencimetro, el tiristor retrasar su conduccin o, incluso, podra no entrar en conduccin. El resultado de ello es que el tiristor se activa antes o despus en funcin de la posicin del cursor del potencimetro, de forma que las bombillas se encendern ms o menos. El diodo D2 hace que la corriente de puerta sea siempre de entrada al tiristor, ya que, de lo contrario, ocasionara la destruccin del componente. El mayor inconveniente de este circuito es el hecho de que el semiperodo negativo de la tensin de red es eliminado, por lo que las bombillas no trabajan nunca al mximo de su potencia. Tambin se producen interferencias en la red elctrica producida por el troceado de la tensin aplicada a la carga, lo que perjudica bastante el factor de potencia (cos ) de la instalacin elctrica donde estn instalados. El nmero de bombillas que pueden ser controladas por el tiristor depende de la corriente nodo-ctodo, IAK, mxima que pueda soportar. Por lo que si el valor de la carga a alimentar es grande, el tiristor debe estar perfectamente dimensionado para poder soportar dicha corriente.