Departamento de Eléctrica y Electrónica
Diodo de Potencia 1.
Describa los portadores mayoritarios del material N y del material P.
Se un material dopado con impurezas tipo P en el lado izquierdo de la juntura, y material dopado con impurezas tipo N en el lado derecho. derecho. El material dopado con impurezas tipo N significa significa que hemos dopado la estructura de silicio con impurezas que proveen electrones adicionales o extra a la estructura que tienen estados de energía altos y que fácilmente son capaces de conducir corriente saltando de un átomo al siguiente. Y los llamamos a éstos electrones portadores mayoritarios en el material N. En una forma similar en el material P nosotros tenemos portadores mayoritarios huecos que pueden fácilmente conducir corriente y saltar desde un átomo al siguiente. 2.
La difusión de los portadores eléctricos forma la corriente de difusión. ¿Por qué se produce
esta corriente? Bajo condiciones de polarización directa entonces a quí está lo que sucede tenemos una corrien te que viene en el contacto desde el circuito externo aquí en la región P que nos provee huecos Estos huecos pueden hacer una de dos cosas: una es que ellos pueden difundirse a través de la juntura y pasar a ser portadores minoritarios en la región N y eventualmente ellos podrían reco reco mbinarse con electrones (portadores mayoritarios de la región N) en la región N. Y de la misma manera un electrón de la terminal negativo puede ingresar y recombinarse con uno de los huec os. 3.
Que polaridad tienen los extremos de la región de agotamiento de un diodo PN con el material P a la izquierda. ¿Por qué se dice que esta tensión obstruye el paso de los portadores mayoritarios?
Bajo condiciones de polarización inversa, se tiene tiene ahora contactos con el mundo exterior y se aplica ahora un voltaje negativo a través del dispositivo, así que el voltaje es negativo en el material P que es el ánodo y es positivo en el material N que es el cátodo. Con esto estamos añadiendo voltaje a través de la región de agotamiento y se hace que la región de agotamiento se haga más grande, este voltaje se opone a la difusión y obstruye obstruye el paso de los portadores mayoritarios de un lado a otro. 4.
Como se forma la región de agotamiento en los diodos .
La región de agotamiento se forma debido a que cuando los portadores mayoritarios están reb otando alrededor, tienden a difundirse en en la dirección hacia donde hay una concentración red ucida. Así que justo aquí en la juntura se tiene una alta concentración de huecos en el lado izqu ierdo y una alta concentración de electrones en el lado derecho. Lo que sucede es que la energ ía térmica causará que los portadores mayoritarios se difundan hacia la región de concentració n reducida. Así que los electrones se difundirán desde la derecha a la izquierda a través de la ju ntura y los huecos se difundirán desde la izquierda a la derecha.
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Que son los portadores minoritarios de la región N. De donde aparecen y como se describe las posibilidades de permanecer en esa región.
Cuando los portadores mayoritarios se difunden a través de la juntura ellos pasan a ser lo que son llamados portadores minoritarios en el lado opuesto y en el proceso de moverse a través de la juntura dejan atrás átomos ionizados o cargas netas en los átomos dopados de la región que dejan. En este caso los portadores minoritarios en la región N serán los huecos, estos se difunden en la región N dejan atrás átomos ionizados negativamente en la región P y permanecerán en esta región hasta que se polarice inversamente haciendo que ya no exista más conducción de corriente. 6.
Con polarización inversa como se resume el funcionamiento de la región de agotamiento.
A condiciones de polarización inversa, el voltaje es negativo en el material P que es el ánodo y es positivo en el material N que es el cátodo. Con esto estamos añadiendo voltaje a través de la región de agotamiento y se hace que la región de agotamiento se haga más grande, obstruyendo el paso de los portadores mayoritarios de un lado a otro y por ende no va a existir conducción. 7.
Con polarización directa en el diodo explique la aparición de portadores minoritarios en las dos regiones.
En polarización directa lo que se hace es incrementar el voltaje de la región P con respecto a la región N y eso hace que la región de agotamiento se haga más pequeña. Los huecos de la región P se difunden a la región N donde pasan a ser lo que se llama huecos portadores minoritarios, esto se encuentran a un alto nivel de energía en la región N por lo que pueden fácilmente saltar de un átomo a otro y conducir corriente. De manera similar los electrones de la región N se difundirán en la región P donde pasan a ser electrones portadores minoritarios y son c apaces de conducir corriente allí. 8.
Con el diodo en polarización directa describa los componentes de la corriente total que fluye.
En polarización directa los huecos de la región P se difunden a la región N y los electrones de la región N se difundirán en la región P siendo capaces de conducir corriente allí. Bajo polarización directa sucede que tenemos una corriente que viene en el contacto desde el circuito externo a la región P que provee huecos. La corriente total consiste de la recombinación en un lado o el otro de la juntura, mientras existan portadores minoritarios en estas regiones tendremos esa co rriente.
9.
Como es la concentración de portadores minoritarios dentro del diodo.
Cuando los portadores mayoritarios se difunden a través de la juntura ellos pasan a ser lo que son llamados portadores minoritarios en el lado opuesto, esto quiere decir que los huecos son portadores minoritarios en la región N y de la misma manera los electrones en la región P.
Departamento de Eléctrica y Electrónica 10. ¿Qué relación tiene la difusión de los portadores minoritarios con la concentración de
portadores minoritarios? Los huecos y electrones se recombinan conforme se difunden y se tiene una concentración de portadores que se reducen conforme se aleja de la juntura. Los electrones se difundirán desde la derecha a la izquierda a través de la juntura y los huecos se difundirán desde la izquierda a la derecha. Cuando los electrones se difunden en la región P dejan atrás cargas positivas o átomos cargados positivamente en la región N y de una forma similar los huecos cuando se difunden en la región N dejan atrás átomos ionizados negativamente en la región P y como resultado hay un campo eléctrico entre estas cargas. El campo eléctrico forma un voltaje. 11. ¿Qué es el tiempo de vida de los portadores minoritarios?
Es el tiempo en que lo huecos o los electrones se difunden hacia la región de menor concentración y duran en esta región por algún tiempo, entonces en promedio después de que el tiempo de vida se termina ellos estarán recombinados. 12. ¿Qué variables (en lugar de la corriente y voltaje) se relacionan en la ecuación característica de un diodo para analizar su comportamiento dinámico? En la ecuación característica del diodo para analizar su comportamiento dinámico existe una variable que es la carga minoritaria almacenada, y esta puede variar. 13. Porque se dice que “El diodo es controlado por la carga de los portadores minoritarios”.
Debido a que los portadores minoritarios al pasar de una región a otro pueden fácilmente saltar de un átomo a otro y conducir corriente y si se desea apagar el diodo se debe remover estos portadores minoritarios de los dos lados de la juntura por un medio u otro para parar su recombinación y detener el flujo de la corriente. 14. Durante que intervalo de tiempo se produce la mayor disipación de potencia en el diodo.
T0 a t2 o t2 a t4 Se produce mayor disipación durante el tiempo t2 a t4, ya que durante t2 se ha removido la carga de almacenamiento a un valor menor, mientras que en el tiempo t4 se ha removido toda la carga almacenada y no hay más carga minoritaria a la izquierda, finalmente el diodo está apagado y puede bloquear el voltaje negativo completo.
15 La pendiente al inicio de cada grafico de carga versus distancia tiene valor negativo para el intervalo que inicia en to pero se vuelve positivo en intervalo que inician en t2. ¿Con que variable se relaciona esa pendiente? La variable que relaciona la pendiente para que sea positiva o negativa es la velocidad de difusión, la tasa a la cual los portadores se dinfunden.
Departamento de Eléctrica y Electrónica 16 Que es el tiempo de recuperación inversa
El tiempo que se demora desde to a t4 es el tiempo de apagado de Conmutación, que se llama a menudo el tiempo de recuperación inversa.
17 Que es la carga de recuperación inversa. La carga representada por el área sombreada es la carga minoritaria que es activamente removida del dispositivo es llamada la carga de recuperación inversa.
18 En el paso de conducción a corte en qué dirección fluyen los portadores minoritarios almacenados en la región cercana a la juntura? Cuando los portadores mayoritarios se difunden a través de la juntura ellos pasan a ser lo que son llamados portadores minoritarios en el lado opuesto y en el proceso de moverse a través de la juntura dejan atrás átomos ionizados o cargas netas en los átomos dopados de la región que dejan.
19 Como se relaciona la corriente externa con la rapidez del apagado del diodo. Si se desea apagar el diodo se debe remover los portadores minoritarios de los dos lados de la juntura por un medio u otro para parar su recombinación y detener el flujo de la corriente.
20 Con que característica interna del diodo se relaciona la capacidad de bloqueo de voltaje inverso El voltaje externamente aplicado es bloqueado por la región de agotamiento.
Departamento de Eléctrica y Electrónica 21 Qué es la modulación de la conductividad. ¿Cómo participan en este fenómeno los portadores minoritarios? La conductividad σ puede elevarse incrementando n o p por medio de: a) Elevación de temperatura b) Dopaje c) Iluminación. Fotoconductores o fotorresistores o LDR (Light Dependent Resistors)
λc = 1,24/EG [µm] Cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción. En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp, ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente
está relacionada con
la concentración de portadores minoritarios inyectados.
22 Porque los diodos Schottky tienen una alta velocidad. En consecuencia, ¿qué especificación es limitada a valores bajos en el diodo Schottky? Tienen una alta velocidad porque solo permiten el paso de corriente en una sola dirección. Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No so portan Dispositivos de Electrónica de Potencia tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
23 ¿En qué orden están los tiempos de apagado de un diodo ultrarrápido? Los tiempos de apagado de un diodo ultrarrápido están en el orden de los nanosegundos.
El rectificador controlado de silicio SCR 1. ¿Qué es un tiristor? Un tiristor es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o c omo conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac) o (DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
2. ¿En base a los modos de operación cuál es el modelo ideal del tiristor en el análisis de circuitos? Como Interruptor Abierto o Cerrado
Departamento de Eléctrica y Electrónica 3. Los tiristores se dice que son interruptores SPST (simple polo, simple carrera). Sin embargo, normalmente tienen más de 2 terminales. ¿Cuál es la utilidad de los terminales adicionales? Transferir los comandos de operación
4. Qué significado tiene que la corriente de ánodo a cátodo este dentro de los límites de clasificación de potencia (power rating limits)?. ¿Cómo se obtienen estos límites? Que la corriente unidireccional cuyo paso es posible debido a que el SCR pasa al modo de conducción cuando una señal es aplicada en la compuerta tiene un alto valor pero dentro de los límites de especificaciones de potencia. Se obtiene estos límites cuando la cor riente alcanza el valor que mantiene la condición ∝ +∝2 = 1, siendo ∝ , ∝2 los factores de amplificación de corriente.
5. Si la suma de los factores de amplificación se aproxima a la unidad, dibuje un circuito con SCR donde se muestre el elemento que limita la corriente. Tan pronto como la suma de los factores de amplificación se aproxima a la unidad, la corriente del SCR llega a ser alta y es limitada por el circuito externo.
Ilustración 1
Se pone en serie con la carga un inductor de poco valor para retardar el incremento de corriente a un valor aceptable.
6. ¿Qué especificación del SCR debe considerarse para evitar el disparo por ruptura de avalancha? El voltaje entre ánodo y cátodo, la polarización de la juntura J2
Departamento de Eléctrica y Electrónica 7. Como se evita el disparo por cambio brusco de voltaje entre ánodo y cátodo. Consulte Controlar que el cambio de voltaje no ocurra dentro de un co rto tiempo o utilizar un circuito RC en paralelo con el tiristor como se muestra en la Ilustración 1. Este circuito limita la velocidad de subida de la tensión en los terminales del tiristor.
Ilustración 2
8. ¿Existe algún dispositivo comercial SCR activado por luz? Los LASCR( Ligth activated Silicon Controlled Rectifier) que pueden ser activados por la radiación de luz.
9. En la región de bloqueo inverso que modelo representa adecuadamente el comportamiento del SCR? El SCR se comporta como dos diodos en serie inversamente polarizados.
10. ¿Qué ocurre cuando mediante el circuito externo se excede el Voltaje directo pico? Conmutara al SCR al estado de conducción. Ocurre la ruptura por avalancha que permite el flujo de una alta corriente.
11. ¿Cuál es la diferencia de esta situación frente a exceder el Voltaje reverso pico?
El voltaje reverso pico es el voltaje de polarización directa máximo permitido, está definido en la especiación del fabricante, que puede dañar al SCR.
12. ¿Qué significado tiene la región de resistencia negativa? ¿Acaso existen elementos que operen en esta región? Averigüe.
Debido al incremento en la corriente y decremento en el voltaje en la región entre los puntos 3 y 4, el SCR se comporta como una resistencia negativa en esta porción de la característica. La operación en la región de resistencia negativa es imposible debido a que en el instante de la ruptura, el punto de operación se mueve desde el punto 3 al punto 5 pasando por el punto 4.
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Ilustración 3
Entre los elementos de resistencia negativa más conocidos se pude mencionar: • Transistor Unijuntura UJT • Transistor Unijuntura Programable PUT • Conmutador Unidireccional de Silicio SUS • Conmutador Bidireccional de Silicio SBS • Conmutador Controlado de Silicio SCS • Diodo Bilateral de Disparo DIAC Los mismos que se clasifican dependiendo de su número de capas como de su sentido de conducción.
13. Un Ingeniero comenta: "El apagado del SCR es tan simple como quitar la corriente de la compuerta". ¿Qué dirá usted? No es tan cierto debido a que corriente IA debe reducirse a un valor menor que la corriente de mantenimiento IH. Esto se logra reduciendo el voltaje de suministro o mediante el paso de una corriente inversa a través del SCR hasta que sea desactivado.
14. El voltaje al que se produce la ruptura directa entre AK depende de la corriente de compuerta. ¿Es posible provocar la conducción del SCR con una tensión de ruptura directa similar a la de un diodo? ¿Qué se debe hacer? Siempre y cuando ∝ +∝2 = 1 se podrá provocar la conducción del SCR, estos factores son dependientes directamente de la corriente de la juntura, y por tanto, el proceso de disparo es esencialmente regenerativo. Se deberá incrementar la corriente de base o el voltaje entre ánodo y cátodo.
15. ¿Por qué es preferible aplicar un pulso momentáneo de corriente a la compuerta en lugar de un pulso continuo? Para prevenir la disipación innecesaria de potencia en la compuerta.
Departamento de Eléctrica y Electrónica El cumplimiento de las especificaciones del SCR debe garantizarse mediante el circuito externo. Como se garantiza el cumplimiento de:
16. La corriente directa promedio Esta es la corriente DC máxima permitida a través del SCR durante la conducción. Algunas veces se define en su lugar la corriente efectiva. Entonces el símbolo es IF. En otras veces, la definición es basada en la corriente de surge IFM o la corriente instantánea IF. Los datos en las cor rientes permitidas siempre involucran la resistencia térmica y es generalmente presentada en forma gráfica.
17. La corriente de disparo en compuerta Esta es la mínima corriente de compuerta con la cual se garantiza que el SCR es disparado a un voltaje de ánodo dado. Esta corriente es inversamente proporcional a la temperatura.
18. Voltaje de pico inverso Este es el voltaje de polarización directa máximo permitido, y está definido en la especificación del fabricante, que puede dañar al SCR. Este parámetro puede ser expresado en una variedad de formas. Algunas veces es definido en términos de voltaje repetitivo y algunas veces en términos de voltajes momentáneos.
19. Como se mide la corriente de mantenimiento La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y menor que la corriente de enganche. La corriente de mantenimiento es la corriente de ánodo mínima para mantener al tiristor en estado de régimen permanente.
20. Como se mide la corriente de disparo de la compuerta La corriente de disparo de la compuerta de puede conocer fácilmente en la hoja de datos técnicos del SCR.
[1]
"Rectificador controlado de silicio” http://www.monografias.com/trabajos78/rectificador-
controlado-silicio-scr/rectificador-controlado-silicio-scr2.shtml N.p., 2017. Web. 15 Mayo 2017. [2]
Víctor Proaño, "Elementos de Electrónica de Potencia ”, Octubre 2016.
[3]
Escuela Politécnica de Chimborazo, " ELEMENTOS CON CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA
NEGATIVA”, Octubre 2016.
