1-Diodos de Cuatro capas Los diodos de cuatro capas o como comúnmente se les conoce Tiristores, son una familia de dispositivos que se construye con cuatro capas semiconductoras (pnpn). Estos dispositivos actúan como circuitos abiertos capaces de soportar cierto voltaje nominal hasta que son disparados. Cuando son disparados, se encienden y se convierten en trayectorias de baja resistencia para la corriente y permanecen así, incluso después de que desaparece el disparo. La palabra tiristor viene del griego y significa “puerta”, puesto que se comporta como una puerta que se abre y permite el paso de corriente a través de ella. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un nuevo tipo de conmutación. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP).Al igual que los FET de potencia, el SCR y el triac pueden conmutar grandes corrientes. Por ello, la principal aplicación de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminación y otras cargas semejantes. En sí, el tiristor es un conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez, el tiristor es un componente idóneo en electrónica de potencia. El Triac por su parte no es sino la variante bidireccional.
Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar una tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 esta polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa. En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando la tensión positiva se llega a una tensión Vb0 donde la corriente crece en forma abrupta y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción. El objetivo de los tiristores es controlar la cantidad de energía que le llega a una carga en un tiempo determinado. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia
Usos de los Diodos de Cuatro Capas. Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodoánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica. Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna. En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de energía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente queden dañados. El tiristor también se puede usar en conjunto con un diodo Zener enganchado a su puerta, de forma que cuando el voltaje de energía de la fuente supera el voltaje zener, el tiristor conduce, acortando el voltaje de entrada proveniente de la fuente a tierra, fundiendo un fusible. La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por ejemplo. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color. Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos. Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación, Calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...).
Funcionamiento de un diodo de tiristor El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión). Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca.También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Interruptor casi ideal. Soporta tensiones altas. Amplificador eficaz. Es capaz de controlar grandes potencias. Fácil controlabilidad. Relativa rapidez. Características en función de situaciones pasadas (memoria).
2-Tipos de Diodos de Cuatro capas. Dentro de la familia de los tiristores, los tipos más significativos son: Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), Diac y Triac. Existen muchos más pero en este caso solo trataremos los ya mencionados.
EL TIRISTOR DIODO (DIODO SHOCKLEY) Un diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky. El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico (IH).
Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar un tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 está polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa. En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensión positiva se llega a una tensión VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción. Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en separar su estructura física en dos mitades (figura 12.2.c). La mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha PNP, resultando el circuito mostrado en la figura 12.3.d que normalmente es referido como candado. Este dispositivo fue desarrollado por William Bradford Shockley tras abandonar los Laboratorios Bell y fundar Shockley Semiconductor. Fueron fabricados por Clevite-Shockley.
Características de Un diodo Shockley Las características eléctricas de un diodo de cuatro capas se muestran en la gráfica de la figura 12.3. En esta gráfica, se pueden identificar dos zonas y cuatro regiones de operación:
1.- Zona directa (V > 0) 1.a) Región de corte. El diodo se encuentra en corte con unas corrientes muy bajas. En esta región se puede modelar como una resistencia ROFF de valor
1.b) Región de resistencia negativa. Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es suficientemente alta se produce la ruptura de la unión con un incremento muy elevado en corriente comportándose el diodo como si fuera una resistencia negativa debido a la realimentación positiva de su estructura. 1.c) Región de saturación o conducción. En esta región, la caída de tensión entre ánodo y cátodo está comprendida entre 0.5V y 1.5V, prácticamente independiente de la corriente. Se mantendrá en este estado siempre que la tensión y corriente alcancen unos valores mínimos conocidos como niveles de mantenimiento definidos por VH e IH. 2.- Zona inversa (V < 0) 2.a) Región de ruptura. El diodo puede soportar una tensión máxima inversa VRSM que superado ese valor entra en conducción debido a fenómenos de ruptura por avalancha.
Funcionamiento del Diodo Shockley En polarización positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensión VB0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la práctica, por los componentes externos. La conducción continuará hasta que de algún modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento IH. La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene un límite impuesto por el propio componente (IMAX), que si se supera llevará a la destrucción del mismo. Por esta razón, será necesario diseñar el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parámetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es VRB, ya que provocaría un fenómeno de avalancha similar al de un diodo convencional. EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSION En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de conducción de 10 V. Por tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir, de 9 V, el diodo está abierto, no circula corriente por él y la lámpara estará apagada. Pero si la tensión de la fuente supera, por una falla en su funcionamiento una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación y la lámpara se enciende. Permanecerá encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensión vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido una falla. La única forma de apagar la lámpara sería desconectar la alimentación.
En el sentido inverso, el tiristor se comporta como un diodo normal, es decir, impidiendo el paso de la corriente, aunque posee, al igual que el diodo Zener, un acodamiento en la curva característica a la cual, no obstante y en servicio normal, no suele llegarse.
3-EL DIAC (TIRISTOR DIODO BIDIMENSIONAL) (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón. Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor. Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia. Existen dos tipos de DIAC:
DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.
Características de Diac. Sus principales características son: - Tensión de disparo - Corriente de disparo - Tensión de simetría (ver grafico anterior) - Tensión de recuperación - Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)
Funcionamiento del Diac: La operación del DIAC consiste fundamentalmente en llevar la estructura NPN hasta un voltaje de ruptura equivalente al BVCEO del transistor bipolar. Debido a la simetría de construcción de este dispositivo, la ruptura puede ser en ambas direcciones y debe procurarse que sea la misma magnitud de voltaje. Una vez que el dispositivo empieza a conducir corriente sucede un decremento en el voltaje de ruptura BVCEO, presentando una región de impedancia negativa (si se sigue aumentando la corriente puede llegar hasta la segunda ruptura), entonces se logra que el dispositivo maneje corrientes muy grandes.
Circuito equivalente de un DIAC consiste en cuatro transistores dispuestos como se ilustra en la figura 2.3 (a). Cuando el DIAC está polarizado como en la parte (b), la estructura pnpn desde A1 a A2, proporciona la operación del dispositivo con cuatro capas. En el circuito equivalente, Q1 y Q2 están polarizados en directa y los Q3 y Q4 en inversa. El dispositivo opera en la porción derecha superior de la curva característica de la figura 2.2, bajo esta condición de polarización. Cuando el DIAC está polarizado como se muestra en la figura 2.3 (c), la estructura pnpn, desde A2 a A1, es la que se usa. En el circuito equivalente, los Q3 y Q4 están polarizados en directa y los Q1 y Q2 en inversa. El dispositivo opera en la porción izquierda inferior de la curva característica, como se muestra en la figura de la curva característica.
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES. Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores. La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción.
Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.
Figura: Disparo de TRIAC mediante un DIAC.
SCR El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.
Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo. Según se atrase o adelante éste, se controla la corriente que pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo.
CARACTERÍSTICAS GENERALES. • Interruptor casi ideal. • Soporta tensiones altas. • Amplificador eficaz. • Es capaz de controlar grandes potencias. • Fácil controlabilidad. • Relativa rapidez. • Características en función de situaciones pasadas (memoria).
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS. Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades: - Tensión inversa de pico de trabajo.............................................: VRWM - Tensión directa de pico repetitiva...............................................: VDRM - Tensión directa...........................................................................: VT - Corriente directa media...............................................................: ITAV - Corriente directa eficaz................................................................: ITRMS - Corriente directa de fugas............................................................: IDRM - Corriente inversa de fugas............................................................: IRRM - Corriente de mantenimiento..........................................................: IH
FUNCIONAMIENTO Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga.
Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero). Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.
APLICACIONES: Las aplicaciones de los tiristores se extienden desde la rectificación de corrientes alternas en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna. Por lo anteriormente señalado el scr tiene una gran variedad de aplicaciones entre las cuales están Controles de relevador. · Circuitos de retardo de tiempo. · Fuentes de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos. · Controles de motores. Recortadores. Inversores. Ciclo conversores. Cargadores de baterías. ·Circuitos de protección Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.
TRIAC Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
Estructura del Triac El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo, este dispositivo es equivalente a transistores conectados con realimentación positiva, donde la señal de retorno aumenta el efecto de la señal de entrada). La diferencia Más importante que se encuentra entre el funcionamiento de un triac y el de dos tiristores es que en este último caso cada uno de los dispositivos conducirá durante medio ciclo si se le dispara adecuadamente, bloqueándose cuando la corriente cambia de polaridad, dando como resultado una conducción completa de la corriente alterna. El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el breve instante en que la corriente de carga pasa por el valor cero, hasta que se alcanza el valor mínimo de tensión entre T2 y T1, para volver de nuevo a conducir, suponiendo que la excitación de la puerta sea la adecuada. Esto implica la pérdida de un pequeño ángulo de conducción, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente está en fase con la tensión, no supone ningún problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener en cuenta, en el diseño del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situación de la tensión aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensión entre los dos terminales del componente.
FUNCIONAMIENTO Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción. Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello, al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional. Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G). Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente por debajo de la intensidad de mantenimiento (IH). La estructura contiene seis capas, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido T2-T1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor y la capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 (A) eficaces y desde 400 a 1000 (V) de tensión de pico repetitivo. Los TRIAC son fabricados para funcionar a frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores.
APLICACIONES: Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como interruptor electrónico y también a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, 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.
Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.
