Dispositivos Electrónicos - Novillo Carlos - Capítulo 7

TIRISTORES Y OTROS DISPOSITIVOS DE 4-CAPAS

En este capítulo, se analizarán varios dispositivos de 4-capas. Primero, se estudiará una familia de dispositivos dispositi vos construidos construid os con 4-capas de semiconductor ( pnpn pnpn) conocidos como tiristores , que incluyen al diodo Shockley, el rectificador co controlado ntrolado de silicio [Silicon-Controle [Silicon-Controled d Rectifier (SCR)], el interruptor controlado de silicio [SiliconControlled Switch (SCS)], el DIAC y el TRIAC. Los diferentes tipos de tiristores comparten ciertas características caracterís ticas además de sus 4-capas de semiconductor. Actúan como circuitos abiertos abier tos capaces de soportar cierto rango de voltaje hasta hast a que se disparan. Una vez activados, pasan a ser vías vía s de corriente corr iente de baja-resistencia baja-resistencia y permanecen así, aún después de haber quitado la señal de disparo, hasta que se reduzca la corriente a cierto nivel o hasta se los desactive, dependiendo del tipo de dispositivo. Otros dispositivos, que no son de 4-capas, estudiados en este capítulo incluyen el transistor unijuntura [UniJunction Transistor (UJT)], el transistor unijuntura programable [Programmable Unijunction Transistor (PUT)]; interruptor controlado en compuerta [Gate Turn Off switch (GTO)]; SCR activado por luz [Light Activated SCR (LASCR)]. Los tiristores se pueden usar para controlar la cantidad de energía ac entregada a una carga y se usan en lámparas tipo dimmer, control de la velocidad de motor, sistemas de ignición, y circuitos de d e carga, etc. Los UJTs y los PUTs también se utilizan para disparar tiristores tiris tores en osciladores y circuitos de temporización. .- El diodo Sh Shockle ockley y es un tiristor con dos terminales: El Diodo Shockley .Carlos Novillo Montero

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ánodo y cátodo. Se lo construye con 4-capas de semiconductor semic onductor que forman una estructura pnpn. El dispositivo actúa como un interruptor y permanece apagado hasta que el voltaje directo alcance cierto valor; entonces se activa y conduce. La conducción continúa hasta que la corriente se reduzca por debajo de un valor específico. En esta sección se estudia estudi a la estructura básica y la operación del diodo Shockley: Shockle y: símbolo del diodo dio do Shockley; volta voltaje je de ruptura directa; direc ta; corriente de sustentación; corriente de conmutación; aplicación. El diodo Shockley es un tiristor , una clase de dispositivo construido constr uido con 4-capas de semiconductor. La construcción básica de un diodo Shockley y su símbolo esquemático se muestran en la fig. 6.1.

FIGURA 6.1

EL DIODO SHOCKLEY

La estructura pnpn puede ser representada por un circuito equivalente equivale nte que consiste de un transistor pnp y un transistor npn, como se indica en la fig. 6.2 a). Las capas superiores pnp forman en transistor Q 1 y las capas inferiores npn forman el transistor Q 2, con las las dos capas intermedias compartidas compar tidas por los dos transistores equivalentes. Se ve que la juntura juntura base-emisor base-emisor de Q 1 corresponde a la juntura pn-1 en la fig. 6.1, la juntura base-emisor de Q 2 corresponde a la juntura juntura pn-3, y la juntura juntura base-col base-colecto ector r de Q 1 y Q 2 correspo corresponde nde a la juntur juntura a pn-2.

FIGURA 6.2 Carlos Novillo Montero

CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE Can

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Cuando se aplica aplica un voltaje voltaje de polarización positivo Operación Básica.- Cuando al ánodo con respecto al cátodo, como se muestra en la fig. 6.2 b), las juntu junturas ras base-emi base-emisor sor de de Q 1 y de Q 2 [juntura [junturas s pn-1 y -3 en la fig. 6.1 a)] se polarizan directamente, directamente , y la juntura base-colector base-colect or [juntura pn-2 en la fig. 6.1 a)] están inversamente polarizadas. Por tanto, ambos transistores equivalentes están en la región lineal. A bajos voltajes de polarización directa, una expresión para la corriente de de ánodo, IA, se desarrolla desarrolla como sigue, sigue, utilizando utilizando las relaciones normalizadas normalizadas del transistor y la fig. 6.3. En este análisis se toma toma en en cuen cuenta ta la corrie corriente nte de fuga, fuga, I CBO.

FIGURA 6.3 CORRIENTES DEL CIRCUITO EQUIVALENTE

Para el transistor Q1 I B 1 = I E 1 - I C 1 - I CB O 1 Pues Puesto to que que IC = áDCIE IB1 = IE1 - áDC1IE1 - ICBO1 = IE1(1 - áDC1) - ICBO1 La corr corrie iente nte de ánod ánodo, o, IA, es la la misma misma que I E1, enton entonces ces IB1 = IA(1 - áDC1) - ICBO1 Para el transistor Q2 se tiene IC2 = áDC2IE2 + ICBO2, pero IE2 = IK, entonces IC2 = áDC2IK + ICBO2 puesto que IC2 = IB1, (1 1 - áDC1) - ICBO1 áDC2IK + ICBO2 = IA( Carlos Novillo Montero

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IA e IK son iguale iguales. s. Sustit Sustituye uyendo ndo I K por I A en la la ecuaci ecuación ón anter anterior ior y resolvie resolviendo ndo para para IA, se tiene tiene

A bajos niveles de corriente, áDC de los transistores en muy bajo. De donde, a bajos niveles de polarización, polarización, hay muy poca corriente de ánodo en el diodo Shockley como se ve en la ecuación ecuació n anterior, de modo bloqueo-directo . que está en el estado de corte o en la región de bloqueo-directo Cierto diodo Shockley está polarizado polariz ado en la región re gión de bloqueoEjemplo.- Cierto directo con un voltaje ánodo-a-cátodo ánodo-a-cátod o de 20V. Bajo esta condición de polarización, áDC1 = 0,35 y áDC2 = 0,45. Las corrientes de fuga son 100nA. Determine la corriente de ánodo y la resistencia directa del diodo. determ ina la corriente de Solución.- Mediante la Ecuación anterior se determina ánodo.

Esta es la corriente directa cuando el dispositivo está apagado, pero con con una una polari polarizac zación ión dire directa cta de de V AK = +20V. Entonces, la resistencia resistencia directa es,

20V, , ¿C ¿Cuál uál Ejercicio Relacionado.- Si la corriente de ánodo es 2 ìA y VAK = 20V es la resistencia resistenci a directa del diodo Shockley en la región de bloqueodirecto? pa recer r Voltaje de Ruptura-Directa .- La operación del diodo Shockley puede parece extraña porque está polarizado directamente, directam ente, y aún actúa básicamente como un interruptor abierto. Esta es la región de polarización directa, denominada la región de bloqueo-directo, bloqueo-dir ecto, en la que el dispositivo tiene una resistencia directa muy alta [idealmente circuito abierto] y está en el estado apagado. La región de bloqueo-directo existe desde V AK = 0V hasta hasta un un valor valor de VAK denomi denominad nado o voltaje volta je de ruptura-directa [forward[forward breakover, VBR(F)]. Esto se indica en la curva característica del diodo Carlos Novillo Montero

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Shockley de la fig. 6.4.

FIGURA 6.4

Al aumen aumentar tar VAK desde desde 0, la corri corriente ente de ánodo ánodo, , I A, gradua gradualmen lmente te se se incrementa como se muestra en la fig. 6.4. Conforme I A se incrementa, incrementa, también lo hacen áDC1 y áDC2. En el punto donde áDC1 + áD C 2 = 1, el denomina denominador dor de la Ec. Ec. (6.3) se hace hace cero, cero, e I A = I S, la corrien corriente te de conm conmut utac ació ión. n. En este este punt punto, o, V AK = VBR(F), y la estr estruc uctu tura ra inte intern rna a del del transistor se satura. Cuando Cuando esto pasa, pasa, la caída caída de voltaje voltaje directa directa V AK súbitame súbitamente nte decrec decrece e a un un va valor bajo aproximadamente ig igual a V BE + V CE(sat) cuado I A incrementa, y el diodo Shockley entra en la región de conducción-directa conducción-d irecta como se indica en la fig. 6.4. Ahora, el el dispositivo está en el estado es tado encendido y actúa como un interruptor interrup tor cerrado. Cuando la corriente de ánodo cae por debajo del valor valor de sustenta sustentación ción (holding), (holding), I H, el dispositivo se apaga.

Corriente de Sustentación [Hol [Holdin ding g Curre Current nt IH] .- Una vez que el diodo Shockley está conduciendo [en el estado on], continuará conduciendo hasta que la corriente de ánodo se reduzca por debajo de un nivel específico, llamado corriente de sustentación, IH. Este parámetro también está indicado sobre la la curva característica característica en la fig. 6.4. Cuando I A cae por debajo debajo de I H, el dispositivo dispositivo rápidame rápidamente nte cambia cambia al estado e stado desactivado desactivado [off ] y entra en la región de bloqueo-directo.

Corriente Corriente de Conmutación Conmutación [Switching [Switching Current Current I S] .- El valor de la corriente de ánodo en el punto donde el dispositivo dispos itivo pasa a la región de bloqueodirecto (off) a la región de conducción-directa [on] se llama la corriente de conmutación, IS. Este valor de corriente siempre es menor que la corrien corriente te de sustentac sustentación, ión, I H. á nodo en la fig. 6-5, Ejemplo.- a) Determine el valor de la corriente ánodo cuando el dispositivo está apagado y áDC, de cada transistor es 0,4. Carlos Novillo Montero

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Las corrientes de fuga son 0,08 ìA cada cada una; una; donde donde RS = 10KÙ; VB = 30V; 30V; VBR(F) = 40V 40V. . b) Dete Determ rmin ine e el valo valor r de la cor corri rien ente te de de áno ánodo do en la fig. fig. 6.5 6.5 don donde de el disp dispos osit itiv ivo o está está en con condu ducc cció ión, n, V BR(F) = 40V 40V. . Asu Asuma ma que que VBE = 0,7V 0,7V y VCE(sat) = 0,1V 0,1V para ara la estr estruc uctu tur ra inte intern rna a del del transi ansist stor or; ; dond donde e RS = 10K 10KÙ; VB = 50 50V.

FIGURA 6.5

a)

b) El voltaje en el ánodo es VA = VBE + VCE(SAT) = 0,7V + 0,1V = 0,8V El voltaje voltaje a través través de RS es VRS = VB - VA = 50V - 0,8V = 49,2V La corriente del ánodo es

¿Cuál es la resistencia directa del diodo Shockley?

e s un oscilador de relajación. r elajación. Aplicación.- El circuito de la fig. 6.6 a) es Cuando se cierra el interruptor, el capacitor se carga a través de R hasta que su voltaje alcanza el voltaje de d e ruptura directa del diodo Shockley.

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FIGURA 6.6

OSCILADOR DE RELAJACIÓN

En este punto el diodo d iodo cambia a conducc con ducción, ión, y el capacitor capacitor se descarga descarg a a través del diodo. La descarga continúa continúa hasta que la corriente del diodo sea menor que el valor de sustentación. Ahí el diodo pasa a su estado apagado y el capacitor capacito r empieza a cargarse de nuevo. El resultado de esta acción es un voltaje con una forma de onda similar a la que se muestra en la fig. 6.6 b).

Rectificador Rectific ador Controlado Contr olado de Silicio Silicio (SCR).-

El rectificador rectificador con controlado trolado

de silicio (SCR) es otro dispositivo pnpn de 4-capas similar al diodo Shockley excepto que tiene 3-terminales: 3-terminales : ánodo, cátodo, y compuerta. Como el diodo Shockley, el SCR tiene dos posibles estados est ados de operación. En el estado off , actúa idealmente como un circuito circui to abierto entre el ánodo y el cátodo; realmente, más que un circuito abierto, hay una resistencia muy alta. En el estado on, el SCR actúa idealmente como un cortocircuito desde el ánodo al cátodo; en realidad, hay una resistencia directa pequeña. El SCR se usa en muchas aplicaciones, que incluye: incluye: control de motores, mot ores, circuitos de retardo de tiempo, tiempo, control control de calefacción, control de fase, y control de relevadores, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, muestreadores (choppers), inversores, convertido conver tidores res de ciclo, cicl o, cargadores de baterías, circuitos de protección, etc. En esta sección se describe descr ibe la estructura básica bási ca y la operación de un SCR; el símbolo esquemático; el circuito equivalente bipolar de un SCR; cómo se activa y cómo se desactiva un SCR; las curvas características característi cas de un SCR; conmutación forzada; varios parámetros del SCR. La estructura básica de un rectificador controlado de silicio (SCR ) se muestra en la fig. 6.7 a) y el símbolo esquemático se muestra en la fig. 6.7 b).


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FIGURA 6.7 RECTIFICADOR RECTIFICADOR CONT ROLAD O DE SILICIO [SCR]

FIGURA 6.8

Dispositivos Dispositivos típicos del SCR se muestran en la fig. 6.8, otros tipos de tiristores se encuentran en elementos similares.

Circuito Equivalente del SCR .- Igual a la operación del diodo Shockley, la del SCR se puede entender mejor pensando que su estructura pnpn interna es un arreglo de 2-transistores, como se muestra en la fig. 6.9.

FIGURA 6.8

CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE DEL SCR

Esta estructura es igual a la del diodo Shockley, excepto que tiene un tercer terminal terminal llamado compu compuerta erta (Gate = G). Las capas pnp superiores actúan actúan como el transist transistor or Q 1, y las capa npn inferiores actúan como Carlos Novillo Montero

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el transistor Q 2. Una vez más, los los transistores transistores “comparten” las las dos capas intermedias. intermedias. corriente de compuerta, compuerta, I G, es cero, como Activación del SCR .- Cuando la corriente se muestra en la fig. 6.10 a), el dispositivo actúa como un diodo Shockley en el estado apagado. En este estado, la resistencia resis tencia muy alta entre el ánodo y el cátodo puede aproximarse a un interruptor interr uptor abierto, como se indica. Cuando se aplica un pulso [disparo] de corriente corriente positivo a la compuerta, los dos transistores se activan [el ánodo debe ser más positivo que el cátodo]. Esta acción se muestra en la fig. 6.10 b).

a) SCR APAGAD O OFF FIGURA 6.10

b)

SCR ENCENDIDO ON

IB2 acti activa va Q2, pro propo porc rcio iona nand ndo o un camin camino o par para a que que I B1 salg salga a por por el colector colector de Q2, así se se activa activa Q 1. La corrie corriente nte de colector colector de Q 1 proporciona proporciona corriente de base adici adiciona onal l para para Q 2 de modo modo que que Q 2 permanezca en conducc con ducción ión después de spués que se elimine el pulso de disparo de la la compuerta. Esta acción regenerativa, regenerativa, Q2 mantiene la conducción conducción de saturación saturación de Q1 propor proporcio cionan nando do un un camin camino o para para I B1; a su vez, vez, Q 1 manti mantiene ene la cond conducc ucción ión de satura saturación ción de Q2 proporci proporcionan onando do IB2. Así, Así, el dispo dispositi sitivo vo perman permanece ece activado [latches] una vez que está activado, como se muestra en la fig. 6.10 c).


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c) SCR SE MANTIENE ACTIVADO ON FIGURA 6.10

En este estado, la resistencia muy baja entre el ánodo y el cátodo puede ser aproximada a un interruptor cerrado, como se indica en la fig. 6.10. Como el diodo Shockley, un SCR también puede ser activado, sin una corriente de disparo en la compuerta, incrementando el voltaje ánodo-a-cátodo a un valor que exceda el voltaje de ruptura-directa [forwa [forwardrd-bre breako akover ver] ] VBR(F), como como se muestr muestra a en en la curva curva carac caracter teríst ística ica en la fig. 6.ll a).

FIGURA FIGURA 6.11 6.11


a) CURVAS CARACTERÍST CARACTERÍSTICAS ICAS DEL SCR SCR PARA I G = 0

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FIGURA FIGURA 6.11 b) CUR VAS C ARACT ERÍSTICAS ERÍSTICAS DEL SCR PARA A L G UN UN O S V AL AL O R ES ES D E IG .

El voltaje voltaje de ruptura-directa ruptura-directa decrece cuando cuando I G se incrementa sobre sobre 0A, como se muestra en el conjunto de curvas en la fig. 6.11 b). Eventualmente, Eventualmente, se alcanza un valor valor de IG al que el SCR se enciende enciende a un voltaje voltaje ánodo-a-cátodo ánodo-a -cátodo muy mu y bajo. Así, como se puede ver, la corrie corriente nte de compue compuerta rta contro controla la el valor valor del voltaj voltaje e dire directo cto V BR(F) requer requerido ido para para encenderlo. Aunq Aunque ue los los vol volta taje jes s áno ánododo-a-cá a-cátod todo o V BR(F) en exce exceso so no daña dañará rán n al al dispositivo si se limita la corriente, esta situación debe evitarse porque se pierde el control normal del SCR. Normalmente debe dispararse solo con un pulso de corriente en la compuerta.

Apagado del SCR .- Cuando la compuerta regresa a

0V después que se ha quitado el pulso de disparo, el SCR no puede apagarse; permanece en la región de conducción directa. La corriente de ánodo debe caer por debajo del valor valor de la corrien corriente te de sustentación, I H, para que ocurra el apagado. La corriente de sustentación se indica en la fig. 6.11.

FIGURA 6.12 INTERRUPCIÓN CORRIENTE DE ÁNODO


DE

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Hay dos métodos básicos para apagar un SCR: interrupción de la corriente de ánodo y conmutación forzada. La corriente de ánodo se puede interrumpir momentáneamente momentá neamente con un arreglo de interruptores en serie o en paralelo, como se muestra en la fig. 6.12. El conmutador en serie en la parte a) simplemente reduce la corriente corrient e de ánodo a cero y determina el apagado del SCR. El interruptor en paralelo en la parte b) enruta una parte pa rte de la corriente total fuera del SCR, esto reduce reduce la corriente corriente del ánodo a un valor menor menor que I H. forz ada básicamente requiere que la corriente El método de conmutación forzada a través del SCR momentáneamente momentáneamente se fuerce en dirección opuesta a la conducción directa de manera que la corriente directa neta se reduzca por debajo del valor de sustentación. sustentación.

FIGURA 6.13

CONMUTACIÓN FORZADA

El circuito básico, como se muestra en la fig. 6.13, consiste de un interruptor [normalmente un transistor interruptor] y una batería en paralelo con el SCR. Mientras conduce condu ce el SCR, el interruptor está abierto, como se muestra en la parte a). Para apagar al SCR, el interruptor está cerrado, cer rado, poniendo la batería a través travé s del SCR y fuerza su corrie co rriente nte en dirección opuesta a la corriente directa, directa, como se muestra en la parte b). Típicamente, el rango de tiempo de apagado para el SCR va de unos pocos microsegundos hasta unos 30 ìs. características y rangos Características Características y Rangos del SCR.- Varias de las características más importantes del SCR se definen como sigue. Para una referencia apropiada se usa la curva en la fig. 6.11 a) donde sea necesario. Voltaje de Ruptura-Dire R uptura-Directa cta,

V BR(F).- Este es el voltaje al que el SCR entra

en la la regi región ón de de cond conduc ucci ción ón-d -dir irec ecta ta. . El val valor or de de V BR(F) es máx máxim imo o cuan cuando do IG = 0 y se se lo design designa a VBR(F0). Cua Cuand ndo o la la cor corri rien ente te de la compu compuert erta a aumen aumenta, ta, VBR(F) disminuye y se lo denomina V BR(F1), V BR(F2), etc., para pasos de incr increm emen ento to de de la cor corri rien ente te de de comp compue uert rta a [I G1, I G2, etc. etc.]. ]. Corriente de Sustentación, Carlos Novillo Montero

IH.- Este es el valor de la corriente de ánodo Can

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debajo de la que el SCR pasa de la región de conducción-directa conducción-directa a la región de bloqueo-directo. El valor se incrementa con decrementos en el valo valor r de IG y es máximo máximo para para I G = 0. , IGT.- Este Este es el el valor valor de la corri corriente ente Corriente de Compuerta de Disparo de compuerta necesario necesar io para conmutar al SCR desde la región de bloqueodirecto a la región de conducción-directa condu cción-directa bajo condici condiciones ones especif especificas. icas. Esta es es la la co corriente co continua (D (DC) Corriente Promedio Directa, IF(avg).- Es de ánodo máxima que el dispositivo puede mantener en el estado de conducción bajo condiciones condiciones especificas. Puede llegar a ser de miles de amperios. Región de Conducción-Directa Conducción-D irecta.- Esta región corresponde a la condición

del SCR donde hay corriente directa de ánodo a cátodo a través de la muy baja resistencia [aproximadamente corto circuito] del SCR. .- Estas regiones corresponden .corresponden Regiones de Bloqueo-Directo e Inverso a la condición de apagado del SCR donde la corriente directa de cátodo a ánodo está bloqueada por el circuito abierto efectivo del SCR. , VBR(R).- Este Este pará paráme metr tro o espe especi cifi fica ca el valo valor r Voltaje de Ruptura-Inverso Ruptura-Inve rso del voltaje inverso de ánodo á nodo a cátodo al que el dispositivo se rompe en la región de avalancha y empieza a conducir rápidamente rápidam ente (lo mismo que en un diodo de juntura pn). 1. 2. 3. 4.

¿Qué es un SCR? Mencione los terminales del SCR. ¿Cómo se puede encender [activar] a un SCR? ¿Cómo se puede apagar a un SCR?

Aplicaciones del SCR .- El SCR tiene muchas aplicaciones en las áreas de control de potencia y conmutación. En esta sección se describen unas pocas aplicaciones básicas. En esta sección se describen varias aplicaciones del SCR: cómo se puede usar un SCR para controlar corriente; control de potencia de media-onda; circuito circuit o básico para control de fase; sistema de respaldo [backup] de iluminación en caso de interrupciones interrupcio nes de energía; circuito para protección de sobre-voltaje o “crowbar”.

Control de Encendido-Apagado Encendido-Apagado de Corriente Corri ente.- La fig.6.14 muestra un circuito con SCR que permite que se conmute una corriente a una carga mediante el cierre cierre momentáneo del interruptor interruptor SW 1 y que que se quite la corriente corriente de la carga carga mediante el el cierre momentáneo momentáneo del interruptor SW 2. Carlos Novillo Montero

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Asumiendo que el SCR inicialmente esté apagado, el cierre momentáneo momentáne o de SW1 proporciona un pulso pulso de corriente corriente a la compuerta, compuerta, así se activa activa el SCR de modo que conduce conduce corriente corriente a través de R L.

FIGURA FIGURA 6.14 CIRCUITO CIRCUITO DE ACTIVACI ACTIVACIÓN ÓN Y DESACTIVACIÓN DESACTIVACIÓN DEL SCR

El SCR permanece en conducción aún después de que el contacto momentán momentáneo eo de SW1 termine. termine. Cuand Cuando o se cierra cierra momentáneame momentáneamente nte SW 2, la corriente se de desvía svía del SCR a tierra, reduciendo reduciendo su corriente de án ánodo odo por debajo del del valor de sustentación sustentación I H. Esto desactiva al SCR y así la corriente de carga se reduce a cero.

Control de Potencia de Media-Onda.- Una aplicación común de los SCR es en el control de energía ac para lámparas tipo dimmer, calentadores eléctricos, y motores eléctricos.

FIGURA 6.15 CIRCUITO CIRCUITO DE CONTROL DE FASE [MEDIA-ONDA] CON RESISTENCIA VARIABLE

Un circuito para control de fase de media-onda, con resistencia variable variable, , se muest muestra ra en la fig. fig. 6.15; 6.15; los 120V 120V RMS se aplica aplican n a través través de los terminales terminales A y K; R L representa la r resistencia esistencia de la carga carga [por ejemplo, un elemento elemento calentador calentador o el filamento filamento de una lámpara] R 1 es un limitador de de corriente, y el potenciómetro potenciómetro R 2 establece el nivel nivel de disparo para el SCR. Ajustando R2, el SCR puede dispararse dispararse en cualquier cualquier punto entre 0° y 90° del medio ciclo positivo de la onda ac, como se muestra en la fig. 6.16. Carlos Novillo Montero

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Cuando el SCR se dispara cerca del inicio del ciclo [aproximadamente [aproximadament e 0°], como en la fig. 6.16 a), conduce aproximadamente aproximadamente 18O° y se entrega la máxima potencia a la carga. Cuando se activa cerca del pico positivo del medio-ciclo (90°), como en la fig. 6.16 c), el SCR conduce aproximadamente 90° y se entrega la menor potencia a la carga.

FIGURA 6.16 a)

180° DE CONDUCCIÓN

FIGURA 6.16 b)

135° DE CONDUCCIÓN

FIGURA 6.16 c)

90° DE CONDUCCIÓN

Ajustando R2, el disparo puede ocurrir en cualquier cualquier parte parte entre estos estos dos extremos, y por tanto, tant o, se puede entregar una cantidad de potencia variable a la carga. La fig. 6.16 b) muestra como ejemplo un punto de disparo a los 45°. Cuando la entrada ac se hace negativa, el SCR se desactiva y no conduce otra vez hasta el punto de disparo en el próximo medio-ciclo positivo. El diodo evita que el voltaje ac negativo se aplique a la compuerta del SCR.

Sistema de iluminación en caso de interrupciones interrupciones de energía.- Otro ejemplo de aplicación del SCR, es el circuito que mantiene la iluminación utilizando una batería de reserva [backup] cuando hay una falla de energía. La Carlos Novillo Montero

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fig. 6.17 muestra un rectificador de onda-completa con tap-central usado para proporcionar energía ac a una lámpara de bajo-voltaje. Mientras se disponga de energía ac, a c, la batería se carga a través del diodo diodo D3 y de de la resis resisten tencia cia R 1. El voltaje de cátodo del SCR se establece cuando el capacitor se carga carga al voltaje voltaje pic pico o de la ond onda a de rectifi rectificaci cación ón complet completa a (6,3V (6,3V RMS menos menos las caídas caídas en en R2 y D 1). El ánodo ánodo está a los 6V de de la batería, batería, hacié haciéndol ndolo o menos positivo que el cátodo, así se previene previene su conducción. La compue co mpuerta rta del SCR está a un voltaje establecido por por el divisor de voltaje formado por R2 y R 3. Bajo estas estas condic condicione iones s la lámpara lámpara se se ilumina ilumina con con la energía energía ac de la línea y el SCR está desactivado, desactivad o, como se muestra en la fig. 6.17 a).

FIGURA 6.17 a) CIRCUITO DE ILUMINACIÓN ILUMINACIÓN AUTOMÁTICA AUTOMÁTICA [BACK[BACKUP ]

FIGURA 6.17 b) ENERGÍA DESDE LA LA BATERÍA DE RESERVA [SIN VOLTAJE DE LA RED]

Cuando Cuando hay una inter interrupción rupción de la energía ac, el capacitor capacitor se descar descarga ga a travé través s del del lazo lazo cerrado cerrado formado formado por D3, R 1, y R 3, haciend haciendo o al cátodo cátodo menos positivo que el ánodo o la compuerta. Esta acción establece una condición de disparo, disparo , y el SCR empieza a conducir. La corriente corrien te desde la batería circula por el SCR y la lámpara, así se mantiene la iluminación, como se muestra en la fig. fi g. 6.17 b). Cuando se restablece la energía ac, el capacitor ca pacitor se recarga y el SCR se desactiva. La batería Carlos Novillo Montero

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empieza a recargarse.

Circuito para Protección Protección de Sobre-Voltaje Sobre-Voltaje o “Crowbar”.- La fig. 6.18 muestra un circuito para protección de sobre-voltaje sobre-voltaje simple, a veces llamado circuito “crowbar”, en una fuente de energía DC.

FIGURA 6.18 CIRCUITO CIRCUITO BÁSICO CON SCR PARA PROTECCIÓN DE SOBRE-VOLTAJE “CROWBAR”

El voltaje DC de salida del regulador es monitorizado monitorizad o por el diodo Zéner Zéner D1 y el divis divisor or de volta voltaje je resistiv resistivo o [R [R 1 y R 2]. El límite límite superior superior del voltaje está establecido establecid o por el voltaje zéner. Si se excede este voltaje, el zéner conduce y el divisor de voltaje produce un voltaje de disparo del SCR. El voltaje de disparo activa al SCR, que está a través del voltaje de la línea. La corriente del SCR hace que el fusible se queme, así se desconecta desconect a el voltaje de línea de la fuente de poder. silicio Interruptor Controlado de Silicio (SCS) .- El interruptor controlado de silicio [SCS] es similar en construcción al SCR. El SCS, sin embargo, tiene 2-terminales para compuertas, la compuerta de cátodo y la compuerta de ánodo. El SCS puede activarse y apagarse usando usan do cualquiera de los terminales de compuerta. Recuerde que el SCR solo puede encenderse usando su terminal de compuerta. Normalmente, Normalment e, el SCS está disponible en rangos de potencia menores que los del SCR. En esta sección se describe la operación operació n básica de un SCS: mediante su símbolo esquemático del SCS; circuito bipolar equivalente para describir la operación del SCS; comparación del SCS con el SCR. El símbolo y la identificación de los terminales del interruptor controlado de silicio [SCS] se muestran en la fig. 6.19.


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FIGURA 6.19 6.19 INTERRUPTOR CONTRALADO DE SILICI SILICIO O [SCS]

Al igual que con los dispositivos previos previo s de 4-capas, la operación básica del SCS se puede entender refiriéndose al circuito equivalente equivale nte con transistores, que se muestra en la fig. 6.20. Para empezar, se asume asume que tanto tanto Q 1 como Q2 están están apagado apagados, s, y por por tanto tanto que el SCS SCS no conduce. Un pulso positivo en la compuerta del cátodo hará hará que Q 2 conduzca y así proporciona una vía para la corriente corriente de base de Q 1. Cuando Q 1 conduce, su corriente de colector proporciona la corriente de base para Q2, así se sostiene s ostiene el estado e stado encendi encendido do del dispo dispositiv sitivo. o. Esta Esta acción acción regenerativa es la misma que en el proceso de encendido del SCR y que la del diodo Shockley y se ilustra en la fig. 6.20 a).

FIGURA 6.20 a) ENCENDIDO DEL SCS

El SCS también puede encenderse con un pulso negativo en la compuerta del ánodo, como como se indica en la fig. 6.20 6.20 a). Esto hace hace que Q 1 conduzca lo que, a su vez, genera una una corriente corriente de base para para Q 2. Una vez que Q2 está encend encendido, ido, provee provee una una vía para para la corri corriente ente de base base para Q 1, así se sustenta el estado encendido. Para apagar al SCS, se aplica un pulso positivo a la compuerta de ánodo. Esto polariza polariza inversamente inversamente la juntura juntura base-emisor de Q 1 y lo apaga. Q2, a su vez, se apaga y el SCS termina su conducción, conducción, como se muestra en la fig. 6.20 b). El dispositivo disposit ivo también puede apagarse con Carlos Novillo Montero

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un pulso negativo en la compuerta del cátodo, como se indica en la parte b). El SCS generalmente tiene un tiempo de apagado más rápido que el SCR.

FIGURA 6.20 b) SCS

FIGURA 6.21

APAGAD O DEL

ENCENDIDO Y APAGAD O DEL SCS

Además Adem ás del de l pulso positivo en la compuerta compuerta del ánodo o el pulso negativo en la compuerta del cátodo, hay otros métodos para apagar un SCS. Las figs. 6.21 a) y b) muestran dos métodos de conmutación para reducir la corriente de ánodo por debajo del valor de sustentación. En cada caso, el transistor bipolar actúa como un conmutador. Figura Figu ra 6.21 El transist transistor or de conmu conmutaci tación ón reduce reduce IA por debajo debajo de I H y apaga apaga al SCS. SCS.

Aplicaciones.- El SCS y el SCR se usan en aplicaciones similares. El SCS tiene la ventaja vent aja de mayor rapidez rapi dez de apagado con co n pulsos en cualquier cualquier terminal de compuerta; sin embargo, los rangos máximos de corriente y voltaje son más limitados. También, el SCS a veces se usa en aplicaciones aplicaciones digitales tales como contadores, registros, y circuitos temporizadores. 1.Explique 1. Explique la diferencia diferencia entre un SCS y un SCR. 2.¿Cómo 2. ¿Cómo se puede encender un SCS? 3.Describa 3. Describa cuatro maneras con las que puede apagarse un SCS. Carlos Novillo Montero

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tipo s de tiristores El DIAC y el TRIAC .- Tanto el DIAC como el TRIAC son tipos que pueden conducir corriente en ambas direcciones [bilateral]. La deferencia entre los dos dispositivos es que el DIAC tiene dos terminales, mientras que el TRIAC tiene un tercer terminal, que es la compuerta. El DIAC funciona básicamente como dos diodos Shockley en paralelo conduciendo en direcciones opuestas. El TRIAC funciona básicamente básicamen te como dos dos SCRs SCRs en en paralelo conduciendo conducien do en direcciones opuestas opues tas con un terminal de compuerta común. En esta sección se describe la estructura básica y la operación del DIAC y del TRIAC: el símbolo esquemático; esquemát ico; circuito equivalente equivalen te y las condiciones de polarización; polarización; curva característica; aplicación.

DIAC.- La construcción básica del DIAC y su símbolo esquemático se muestran en la fig. 6.22. 6. 22. Se observa obser va que hay dos termina terminales, les, denom denominados inados A1 y A2. La conduc conducción ción en en el DIAC DIAC ocurre ocurre cuando cuando se alcanza alcanza el voltaje voltaje de ruptura [breakover] con cualquier polaridad a través de los dos terminales. La curva en la fig. 6.23 ilustra estas características.

FIGURA 6.22

EL DIAC FIGURA FIGURA 6.23 CURVA CARACTER ÍSTICA DEL DIAC

Una vez que se produce la ruptura, la corriente es en una dirección dependiendo de la polaridad del voltaje a través de los terminales. El dispositivo se apaga cuando la corriente cae por debajo del valor de sustentación. El circuito circui to equivalente de un DIAC consiste de cuatro transistores arreglados como se muestra en la fig. 6.24 a). Cuando el DIAC está polarizado como en la fig. 6.24 b), la estructura desde A1 a A2 provee provee la operaci operación ón del disposi dispositivo tivo de cuatro cuatro-cap -capas as pnpn desde como se describió para el diodo Shockley. En el circuito equivalente, equivalent e, Q1 y Q2 están están dire directa ctamen mentete-pol polari arizad zados, os, y Q 3 y Q 4 están están inve inversa rsamen mentetepolarizados. polarizados. El dispositivo opera en la porción superior derecha de la curva característica de la fig. 6.23 bajo esta condición de polarización. Cuando el DIAC está polarizado como se muestra en la fig. 6.24 c), se usa la estructura pnpn desd desde e A2 a A1. En En el el cir circu cuit ito o equiva equivalen lente, te, Q3 y Q4 están están direct directame amente nte-po -polar lariza izados dos, , y Q 1 y Q 2 están están Carlos Novillo Montero

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inversamente-polarizados. Bajo esta condición de polarización, el dispositivo opera en la porción inferior izquierda de la curva característica, como se muestra en la fig. 6.23.

a) b) c) FIGURA 6.24 a) CIRCUITO EQUIVALENTE DEL DIAC. b) POLARIZACIÓN DIRECTA. c) POLARIZACIÓN INVERSA.

TRIAC.- El TRIAC es como un DIAC con un terminal de compuerta. El TRIAC puede activarse con un pulso de corriente y no requiere el voltaje de ruptura (breakover) para iniciar la conducción, como el DIAC. Básicamente, al TRIAC se lo puede pensar pensar como dos do s simples sim ples SCRs conectados en paralelo y en direcciones opuestas con un terminal de compuerta común. A diferencia del SCR, el TRIAC puede conducir corriente en cualquier dirección cuando está activado, dependiendo de la polaridad del volta voltaje je a través través de de sus termi terminale nales s A 1 y A 2. Las figs. figs. 6.25 6.25 a) a) y b) muestran la construcción básica y el símbolo esquemático para el TRIAC.

(a) (b) FIGURA 6.25 TRIAC: a) CONSTRUCCIÓN; b) SÍMBO SÍMBO LO.

Las curvas características característica s se muestran en la fig. 6.26. Se observa que el potencial de ruptura [breakover] decrece cuando se incrementa la corriente de compuerta, tal como con el SCR.


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FIGURA FIGURA 6.26 CURVA CARACTE RÍSTICA DEL TRIAC

Igual que con los otros elementos de 4-capas, el TRIAC T RIAC deja de d e conducir cuando la corriente de ánodo cae por debajo del valor específico de corriente de sustentación sustentación, , I H. La única manera manera de desactivar al al TRIAC es reducir la corriente a un nivel suficientemente bajo.

(a) FIGURA 6.27

(b)

La fig. 6.27 muestra al TRIAC activado en ambas direcciones de conducción conducción. . En la parte parte a), a), el termin terminal al A 1 está con polarización positiva con respecto respecto a A2, así el TRIAC TRIAC conduce com como o se muestra cuando cuando se activa con un pulso positivo en el terminal de compuerta. El circuito equivale equivalente nte con con transist transistores ores en en la parte parte b) muestra muestra que Q 1 y Q 2 conducen conducen cuando se aplica un pulso de disparo positivo. En la parte c), el terminal terminal A2 está con polari polarizaci zación ón positiva positiva con con respect respecto o a A 1, así el TRIAC TRIAC conduce conduce en la direcc dirección ión indicada indicada. . En este caso, caso, Q 3 y Q 4 conducen conducen como se indica en la parte d) con la aplicación de un pulso pul so positivo.


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(c)

(d)

Aplicaciones.- Como los SCR, los TRIAC también se usan para control de potencias promedias prom edias a una carga mediante el control de fase. El TRIAC puede activarse tal que la energía ac sea entregada a la carga por una porción controlada de cada medio-ciclo. Durante cada medio-ciclo medi o-ciclo positivo positi vo del voltaje ac, el TRIAC se desactiva durante cierto intervalo, llamado ángulo ángu lo de retardo retardo (medido en grados), y se activa y conduce corriente a través de la carga por el resto del medio-ciclo positivo, llamado ángulo de conducción. Similar acción ocurre en el medio-ciclo negativo excepto que, por supuesto, la conducción de corriente a través de la carga es en dirección opuesta. opu esta. La fig. 6.28 ilustra esta acción.

FIGURA 6.28 TRIAC.

CONTROL DE FASE BÁSIC O CON

Un ejemplo de control de fase usando un TRIAC se ilustra en la fig. 6.29 a). Los diodos se usan para proporcionar los pulsos de disparo a la compuerta compuerta del TRIAC. El diodo D 1 conduce durante durante el medio-ciclo medio-ciclo positivo. El va valor lor de R1 establece el punto punto en el medio-ciclo medio-ciclo positivo al que se dispara el TRIAC. Note que durante esta porción del ciclo ac, A1 y G son son posi positiv tivos os con con resp respect ecto o a A 2.


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FIGURA 6.29 CIRCUITO DEL CONTROL DE FASE CON TRIAC TRIAC .

El diodo diodo D2 conduce conduce durante durante el el medio-cic medio-ciclo lo negativ negativo, o, y R 1 establec establece e el punto de disparo. Se nota que durante esta porción del ciclo ac, A2 y G son positivo positivos s con respe respecto cto a A 1. La forma de de onda a través través de RL resultante se muestra muestra en la fig. 6.29(b). 6.29(b). En el circuito de control de fase, es necesario que el TRIAC se desactive al final de cada alternación altern ación positiva y negativa de ac. La fig. 6.30 ilustra que hay un intervalo cerca de cada cruce por cero donde la corriente del TRIAC cae por debajo del valor de sustentación, sustentación, así se desactiva el dispositivo. dispositivo.

FIGURA 6.30 TRIAC.

INTERVALO DE DESACTIVADO DEL

Intervalo durante el cual la corriente cae por debajo de I H

Revisión 1 Compare Compare el DIAC DIAC con con el diodo diodo Shockley Shockley en términos términos de su opera operación ción básica. 2 Compare Compare el TRIAC TRIAC con con el SCR SCR en término términos s de su operac operación ión básica básica. . 3 ¿En qué se difer diferenci encia a un TRIAC TRIAC de un DIAC? DIAC?

Transistor Unijuntura (UJT).- El transistor unijuntura [Uni Junction Transistor] no pertenece perte nece a la familia de los tiristores porque no tiene una construcción del tipo de 4-capas. El término unijuntura unijuntur a se refiere al hecho de que el UJT tiene una sola juntura pn. Como se verá en esta sección, el UJT es útil en ciertas aplicaciones de osciladores oscilado res y como dispositivo de disparo en circuitos con tiristores. En esta sección se describe la estructura estr uctura básica y la operación del UJT; símbolo esquemático del UJT; circuito equivalente; por qué un UJT no es un tiristor; definición de standoff ratio [relación de apagado]; análisis análisi s de la operación de un oscilador de relajación con Carlos Novillo Montero

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un UJT.

El Transistor Unijuntura (UJT) .- Es un dispositivo de 3-terminales cuya construcción básica se muestra en la fig. 6.31(a); el símbolo esquemático aparece en la fig. 6.31(b). Note que los terminales termina les se denominan Emisor (E), (E), Base Base-1 -1 (B (B 1), y Base Base-2 -2 (B 2).

(a) (b) FIGURA 6.31 TRANSISTOR UNIJUNTURA UJT.

No debe confundirse este símbolo con el del JFET; la diferencia es que la flecha forma un ángulo para el UJT. El UJT solo tiene una juntura pn, y además, la característica de este dispositivo es muy diferente de las de un transistor de juntura jun tura bipolar o las del FET, como se verá.

Circuito Equivalente.- El circuito equivalente del UJT, que se muestra en la fig. 6.32 a), ayudará a entender la operación básica. bási ca. El diodo que se muestra en la figura representa la juntura pn, rB1 repre eprese sent nta a la resistencia dinámica interna interna de la barra de silicio entre el emisor y la base-1, base-1, r B2 represen representa ta la resisten resistencia cia dinám dinámica ica entre entre el emisor emisor y la base base-2. -2. La suma suma r B1 + rB2 es la la resis resisten tencia cia total total entr entre e los los termi terminal nales es de base base y se llama llama resist resistenci encia a intern interna, a, rBB. rB B = r B 1 + r B 2 El valo valor r de r B1 varía varía inver inversam sament ente e con con la corr corrien iente te de de emiso emisor r I E, y por tanto, se presenta como una resistencia variable. Dependiendo de IE, el valo valor r de rB1 puede variar variar desde desde varios varios miles miles de de ohmio ohmios s hasta hasta decena decenas s de ohmi ohmios. os. Las resist resistenc encias ias inter internas nas r B1 y r B2 forman forman un un diviso divisor r de voltaje cuando el dispositivo se polariza como se muestra en la fig. 6.32( 6.32(b). b). El voltaje voltaje en la resist resistenci encia a r B1 se puede puede expresa expresar r como


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(a) (b) FIGURA 6.32 CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE DEL UJT.

.- La La rela relaci ción ón rB1/rBB es una car carac acte terí ríst stic ica a del del UJT UJT llam llamad ada a RelaciónStandoff .relación standoff intrínseca [relación de apagado intrínseca] y se

la designa con la letra griega ç.

(6—4)

Mient ientra ras s el el vo voltaj ltaje e de de em emisor isor V EB1 apli aplic cado ado sea sea meno menor r que que V rB1 + V pn, no hay corriente de emisor porque la juntura pn no está polarizada directam directamente ente (Vpn es el potencia potencial l de la barrera barrera de la juntura juntura pn). El valor del voltaje emisor que hace que la juntura pn se polarice directamente directamente se llama V P (voltaje punto-pico) punto-pico) y se expresa como (6.5) Cuand uando o VEB1 alca alcan nza VP, la la ju juntura pn se polariza-directamente y empieza IE. Los huecos se inyectan inyectan en la barra barra tipo-n tipo-n desde el emisor emisor tipo-p. Esto incremento de huecos causa un incremento en electrones libres, incremen incrementand tando o así la la conduc conductivi tividad dad entre entre el emisor emisor y B 1 [r B1 disminuy disminuye)] e)] Después de activado, el UJT opera en una región de resistencia negativa hasta un cierto cierto valor de I E como se muestra en la curve curve característica característica en la fig. 6.33. Como se puede ver, ve r, después del punto-pico [V [V E = V P y IE = IP], VE dismi disminuy nuye e confo conform rme e se increm increment enta a I E, así así se produc produce e la característica característica de resistencia negativa. negativa. Más allá del punto del valle (VE = VV e IE = IV), el el disp dispos osit itiv ivo o est está á en en satu satura raci ción ón, , y V E se inc incre reme ment nta a muy poco poco con con un aument aumento o de IE.

Ejemplo.- La hoja de datos de cierto UJT da

ç = 0.6. Determine el voltaje

de emis emisor or punt puntoo-pi pico co V P si V BB = 20V 20V. . Solución VP = çVBB + Vpn = 0.6(2 .6(2OV OV) ) + 0.6V .6V = 12.6 12.6V V


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p uede incrementar incr ementar el voltaje voltaje de emisor emisor puntopuntoEjercicio Relacionado ¿Cómo se puede pico de un UJT? .- El UJT puede usarse como un dispositivo disparador disparador Aplicación del UJT .para SCRs y TRIACs. Otras aplicaciones incluyen osciladores no sinusoidales, sinusoidales, generadores diente-de-sierra, control de fase, y circuitos de temporización. La fig. 6.34 muestra, como ejemplo de una aplicación, un oscilador de relajación con UJT.

FIGURAS 6.34 6.34 y 35.- OSCILADOR DE RELAJACIÓN Y FORMAS D E ONDA.

La operación es como sigue. Cuando se aplica energía DC, el capacitor se carga exponencialmente exponencialmente a través de R 1 hasta que alcanza el voltaje voltaje punto-pico VP. En este punto, punto, la juntura juntura pn se polariza-directamente, polariza-directamente, y la característica del emisor va a la región de resistencia resistenc ia negativa [VE decrece decrece e IE crece]. crece]. Entonc Entonces es el capaci capacitor tor rápidam rápidamente ente se descar descarga ga a través través de la juntura juntura direct directamen amente te polariza polarizada, da, r B, y R 2. Cuando Cuando el voltaje del capacitor capacitor decrece decrece al voltaje V V del punto-valle, punto-valle, el UJT se desactiva, el capacitor empieza empie za a cargarse otra vez y el ciclo se repite, como se muestra en la forma de onda del voltaje de emisor en la fig. 6.35 [superior]. Durante el tiempo de descarga del capacitor, el UJT conduce. conduce. Por tanto, se genera un voltaje voltaje a través de R 2, como Carlos Novillo Montero

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se indica en la forma de onda en el diagrama diagr ama de la fig. 6.35 [inferior]. Carg Carga a del del capac apacit itor or: : V C = V V + (V BB - V V)e-t/R1C Desc Descar arga ga del del cap capac acit itor or: : VC = V P e -t/(RB1 + R2)C RB1 = 100Ù; RBB = 5KÙ; ç = 0,6; ,6; VV = 1V; 1V; I V = 10ma 10ma; ;

I P = 10ìA.

Condiciones para encendido y apagado.- En el oscilador de relajación de la fig. 6.34, se deben cumplir ciertas condiciones para que el UJT se active y desactive de manera confiable. Primero, Primer o, para asegurar que se active, active, R1 no debe limita limitar r I E al punto-pi punto-pico co men menor or que que I P. Para Para aseg asegurar urar esto, la caída de de voltaje a tra través vés de R 1 en el punto-pico punto-pico debería ser más grande grande que IPR1. Así, Así, la condic condición ión para para encendi encendido do es

VBB - VP > IPR1

o

Para asegurar asegurar el apagado del del UJT en el punto-valle, R 1 debe ser bastante grande grande de modo que I E [en el punto-valle] punto-valle] pueda decrecer decrecer por debajo del valor específico específ ico de I V. Esto significa que el el voltaje voltaje a través través de R1 en el el puntopunto-vall valle e debe debe ser ser menor menor que que I VR 1. Así, la condic condición ión para apagado es

VEE - Vã < IãR1

o

Así, para un apropiado apropiado encendido encendido y apagado, R 1 debe estar estar en el rango

Determinar un valor de R 1 que asegure asegure encendido y apagado Ejemplo.- Determinar apropiado del UJT de la fig. 6.36.

FIGURA 6.36


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La característica del UJT exhibe los siguientes valores: ç = 0.5, VV = 1V, IV = 10mA, I P = 20 ìA, y VP = 14V 14V. .

Solución

Entonces

Como se puede puede ver, R1 tiene un amplio amplio rango de valores posibles. posibles. Ejercicio Relacionado.Relacionado.- Determine un valor de R 1 para el circuito circuito de la fig. 6.36 que asegure el encendido y apagado para los siguientes valores: ç = 0,3 0,33, 3, VV = 0,8 0,8V, V, I V = 15m 15mA, A, I P = 35 35 ìA, y VP = 18V 18V. .

REVISIÓN 1 Nombre Nombre los los termi terminal nales es del del UJT. UJT. 2 ¿Qué es la la relaci relación ón stand standoff off intrínse intrínseca? ca? 3 En un oscil oscilador ador de relajaci rela jación ón básico básico con con UJT tal como como en la la fig. fig. 6.34, cuáles son los tres factores que determinan el período de oscilación?

El Transistor Unijuntura Programable (PUT) .- El transistor unijuntura programable [PUT] en realidad es en términos de estructura un tipo de tiristor y no como el UJT. La única similitud a un UJT es que al PUT se lo puede usar en algunas aplicaciones de osciladores para remplazar al UJT. El PUT es más similar a un SCR excepto que su voltaje ánodo-a-compuerta puede usarse tanto para encender como para apagar al dispositivo. En esta sección se describe la estructura y operación del PUT: estructura del PUT con la del SCR; diferencia entre un PUT y un UJT; cómo establecer el voltaje de disparo del PUT; aplicación. La estructura del transistor unijuntura programable (PUT) es similar a la del SCR [cuatro-capas] excepto que la compuerta se la obtiene como se muestra en la fig. fig. 6.37 [(a) construcción const rucción básica y (b) ( b) símbolo]. Note que la compuerta se conecta a la región n adyacente al ánodo. Esta juntura pn controla los estados on y off del dispositivo. La compuerta siempre es positiva con respecto al cátodo. Cuando el voltaje del ánodo excede al voltaje de la compuerta por aproximadamente 0.6V, la juntura pn está polarizada directamente direc tamente y el PUT se activa. El PUT permanece activado hasta que el voltaje de ánodo cae por debajo de este nivel, entonces el PUT se desactiva. Carlos Novillo Montero

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(a)

(b)

FIGURA 6.37

Establecimiento del voltaje de disparo.- La compuerta puede polarizarse a un voltaje deseado con un divisor de voltaje voltaj e externo, como se muestra en la fig. 6.38(a), así que cuando el voltaje de ánodo excede este nivel “programado”, el PUT se activa.

V AK (v (vo olt ltaj a je e ánodoánodo-a-c a -cáto átodo) d o)

[corriente de ánodo] a) FIGURA 6.38 POLARIZACIÓN POLARIZACIÓN DEL PUT.

b)


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gráfico del del voltaje voltaje ánodoánodo-a-cá a-cátodo todo V AK en funció función n de la Aplicación.- El gráfico corriente de ánodo ánodo IA de la fig. 6.38 6.38 b) revela revela una curva característica característica similar a la del UJT. Por tanto, el PUT remplaza al UJT en muchas aplicaciones. aplicaciones. Una de tales aplicaciones es el oscilador de relajación en la fig. fig. 6.39 6.39 a), a), en la que que VBB = 18V 18V; ; R 1 = 470 470K K Ù; R2 = 10KÙ; R3 = 10KÙ; R4 = 22Ù; C = 0,2 ìF. La compuerta está polarizada p olarizada a +9V por el divisor de voltaje formado por las resisten resistencias cias R 2 y R3. Cuand Cuando o se se aplica aplica la energí energía a DC, DC, el el PUT PUT está desactivado desactivado y el capacitor capacitor se carga hacia +18V a través través de R 1. Cuando el capacitor capacitor alcanza VG = +0,6V, el PUT se activa y el capacitor capacitor rápidamente se descarga a través de la baja resistencia de activado del PUT y R4. Durante la descarga descarga se genera genera un pico de de voltaje a través de R4. Tan pronto como se descarga descarga el capacitor, capacitor, el PUT se desactiva y el ciclo de carga empieza otra vez, como se observa en las formas de onda de la fig. 6.39(b).

(a) FIGURA 6.39

(b)

OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON PUT.

controlado Interruptor Interruptor Controlado Por C ompuerta [GTO] .- El interruptor controlado por compuerta [GTO: Gate Turn-Off switch] es otro dispositivo pnpn. Al igual que el SCR, SC R, tiene sólo tres terminales externos, externos, como se indica en la figura 6.40 a).

FIGURA 6.40


a) GTO

b)

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Su símbol sí mbolo o esquemático se muestra en la fig. fig. 6.40 b). Aunque el símbolo símb olo esquemático es diferente del correspondiente al SCR o al SCS, el equivalente del transistor transistor es exactamente el e l mismo mis mo y las la s características son similares. La ventaja más obvia del GTO sobre el SCR o el SCS es el hecho de que puede conducir o cortarse aplicando el pulso apropiado en la compuerta del cátodo [sin la compuerta del ánodo y los circuitos asociados que requiere el SCS]. Una consecuencia de esta capacidad de apagado es un aumento aume nto en la magnitud de la corriente de compuerta que se requiere para el disparo. Para un SCR y un GTO de valores nominales similares de corriente RMS máximos, la corriente de disparo de compuerta de un SCR particular es 30 ìA, en tanto que la corriente de disparo del GTO es de 20mA. La corriente de apagado apagado de un GTO es ligeramente mayor que la corriente de disparo requerida. Los valores nominales de corriente RMS y disipación máximos de los GTO fabricados en la actualidad, están limitados limitado s a cerca de 3A y 20W, respectivamente. Una segunda característica característica muy importante del GTO es su característica de conmutación mejorada. El tiempo de disparo es similar al del SCR [por lo general, 1 ìs] pero el tiempo de apagado es de aproximadamente la misma duración [1 ìs] que es mucho menor que el tiempo de apagado típico de un SCR [5 a 30 ìs]. El hecho de que el tiempo de apagado sea similar al tiempo de encendido en lugar de ser considerablemente mayor, permite perm ite el empleo em pleo de este e ste dispositivo dis positivo en aplicaciones de alta velocidad. Las característ características icas de entrad entrada a de la compuerta del GTO y los lo s circuitos circuito s de apagado pueden encontrarse en un manual de amplio contenido o en la hoja de especificaciones. especificacio nes. La mayor parte de los circuitos de apagado del SCR pueden emplearse también en los GTO. Algunas de las áreas de aplicación del GTO incluyen los contadores, contadores , los generadores de pulso, multivibradores y reguladores de voltaje. La fig. 6.41 es una ilustración de un sencillo generador diente de sierra que emplea un GTO y un diodo Zener.

FIGURA 6.41


GENERADO R DIENTE DE SIERRA SIERRA CON GTO

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Cuando se energiza la alimentació alimentación n el GTO se dispara, dispara, lo que producirá un equivalente de corto circuito del ánodo al cátodo. El capacitor C1 empezará entonces entonces a cargars cargarse e hacia el voltaje voltaje de alimentación alimentación como se muestra en la fig. 6.41. Como el voltaje voltaje en el capacitor C 1 se carga por encima del potencial del Zener, se producirá un voltaje inverso en la compuerta-cátodo, estableciendo una inversión en la corriente de la compuerta. A la larga, la corriente corrien te de compue co mpuerta rta negativa ne gativa será lo suficientemente grande como para cortar el GTO. Una vez que éste se corta, resultando la representación representación en circuito abierto, abierto, el capacitor capacitor C 1 se descargará a través de la resistencia resistencia R3. El tiempo tiempo de descarga será será determinado por la constante de tiempo del circuito ô = R3C1. La La sele selecci cción ón adecu adecuada ada de R3 y C1 dará por resul resultado tado la forma forma de de onda de dient diente e de sierra sierra de la fig. 6.41. 6.41. Una vez que el potencial de salida salida V O disminuye por por debajo de VZ, el GTO se dispara y el el proceso se repete.

SCR Activado por Luz [LASCR] .- El siguiente dispositivo pnpn es el SCR activado por luz [LASCR; Light Activated-SCR). Como indica la terminología, terminología , se trata de un SCR cuyo estado es controlado por la luz que incide sobre una capa del semiconductor semiconduct or de silicio del dispositivo. La construcción básica de d e un LASCR se muestra en la fig. 6.42(a). Como se indica en esta figura, también tamb ién se proporciona un terminal de compuerta compuerta para permitir el disparo del dispositivo empleando los métodos típicos del SCR. Observe en la figura que la superficie de montaje para la configuración configuració n de silicio es la conexión del ánodo en el dispositivo. Los símbolos esquemáticos esquemático s que se emplean más comúnmente para el LASCR se incluyen en la fig. 6.42 (b).

Luz

ë

b)

a) FIGURA 6.42 SCR ACTIVADO PO R LUZ (LASCR): A) CONSTRUCCIÓN BÁSICA; B) SÍMBOLOS

Algunas de las áreas de aplicación para el LASCR incluyen controles contro les ópticos luminosos, relevadores, control de fase, control de motores y una diversidad de aplicaciones aplicacione s de computadora. Los valores nominales Carlos Novillo Montero

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máximos de corriente [RMS] y potencia [compuerta] de los LASCR disponibles comercialmente en la actualidad son aproximadamente 3A y 0,1W. Las características [disparo de luz] de un LASCR representativo se presentan en la fig. 6.43. Obsérvese en esta figura que un aumento en la temperatura de la unión produce una reducción en la energía luminosa que se requiere para activar el dispositivo.

FIGURA 6.43 LASCR: CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICA DE DISPARO POR LUZ. [CORTESÍA DE G ENERAL ELECTRIC COMP ANY].

Una aplicación interesante interesant e de un LASCR se observa en los circuitos AND y OR de la fig. 6.44. 6.44. Sólo cuando incida incida luz sobre sobre LASCR 1 y LASCR 2 será aplicable la representación en corto circuito para cada uno y el voltaje volta je de alimen al imentaci tación ón aparecerá a través de la carga. carga. En el circuito circuito OR, la energía energía lumino luminosa sa aplicada aplicada a LASCR LASCR 1 o LASCR LASCR 2 producir producirá á el voltaje voltaje de alimentación que aparece en la carga.


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a) b) FIGURA 6.44 CIRCUITOS LÓGICOS OPTOELECTRÓNICOS DEL LASCR: a) COMPUERTA AND, SE REQUIER REQUIEREN EN ENTRADAS ENTRADAS AL LASCR 1 Y AL LASCR LASCR 2 PARA LA ENERGIZACIÓN DE LA CARGA; b) COMP UERTA OR, LA ENTRADA YA SEA A L LA LA S C R1 O A L LA LA S C R 2 E N ER ER G IZ IZ A R Á LA LA C A R G A

El LASCR es más sensible sensi ble a la luz cuando el terminal termina l de la compuerta se encuentra abierto. Su sensibilidad puede reducirse y controlarse un poco mediante la inserción de una resistencia de compuerta, como se muestra en la fig. 6.44. Una segunda aplicación del LASCR aparece en la fig. 6.45. Es la analogía semiconductora de un relevador electromecánico. Adviértase que éste ofrece un aislamiento aisla miento completo entre entr e la entrada y el elemento de conmutación. La corriente de polarización puede hacerse circular a través de un diodo emisor de luz o una lámpara, como se muestra en la figura. La luz incidente ocasionará el disparo del LASCR y permite un flujo de carga carg a [corriente] a través de la carga como lo establece la alimentación DC. El LASCR puede cortarse empleando un interruptor de restablecimiento restablecimiento S1. Este sistema sistema ofrece las ventajas ventajas adicionales en comparación con un interruptor electromecánico de una larga vida de servicio, respuesta en microsegu micro segundos ndos, , tamaño pequeño y la eliminación de rebotes de los contactos.

FIGURA 6.45 RELEVADOR DE SEGURO [CORTESÍ [CORTESÍA A DE GEN ERAL ELECTRIC SEMICONDUCTOR PROD UCTS DIVISION] DIVISION]

D:\~\ELECTRONICA\DE_Cp7.wpd Revisión: Marzo - 2010


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Dispositivos Electrónicos - Novillo Carlos - Capítulo 7

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