domingo, 4 de diciembre de 2011

DISPOSITIVOS TOTALMENTE CONTROLADOS

Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos de potencia. los circuitos de polarización estan diseñados para que estos estén completamente saturados (activos) o en corte (desactivados)
su gran ventaja es que son totalmente controlados


TRANSISTOR BIPOLAR BJT:

son interruptores de potencia controlados por corriente. puede estar constituido por cristales de germanio. tienen 3 capas d edopados, 2 uniones (j1 j2) y tres terminales cuya agrupacion da lugar a dos tipos de transistores segun la disposicion de las capas


ESTRUCTURA INTERNA:
 sus dos tipos que son los NPN y los PNP




CURVA CARACTERÍSTICA



existen 3 zonas de funcionaiento:
ZONA ACTIVA: el transistor solo amplifica en esta zona y se comporta como una fuente d ecorriente constante controlada por la intensidad de base. este parametro lo
proporciona el fabricante dandonos un maximo y un minimo para una corriente d ecolector dada.
para que un transistor funcione en la zona activa, se debe polarizar la union j1 directamente y la 2 inversamente.
ZONA DE CORTE:en esta zona el transistor es utilizado para aplicacines d econmutacion y se puede considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor. un trnasistor funciona al corte cuando la union  j1 s epolariza inversamente o no se polariza y la j2 se polariza inversamente

ZONA DE SATURACION: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutacion y se puede considerar las corrientes que lo atraviesan  practicamente nulas. para colocarlo en saturacion se debe polarizar las dos uniones directamente
ACTIVA INVERSA: esta zona se puede considerar como carente de interes.

CONEXION DARLINGTON:

 la ganancia de un transistor de potencia elevada suele ser bastante pequeña. Ello conlleva que debido a las grandes corrientes de colector que se deben manejar, la corriente por la base debe ser también elevada, complicando el circuito de control de base del transistor. 


Para evitar esta problemática se suelen utilizar transistores de potencia en configuraciones tipo Darlington, donde se conectan varios transistores de una forma estratégica para aumentar la ganancia total del transistor. 


APLICACIONES Y VENTAJAS:
 los transistores bipolares se utilizan para potencias medias, y frecuencias de trabajo medias (hasta unos 40 kHz). 
La ventaja de este tipo de interruptores es que su caída de tensión en conducción es bastante constante, si bien el precio que se paga es la complejidad del circuito de control, ya que es un semiconductor controlado por corriente. Este tipo de transistores, a diferencia de los que se verán en los siguientes apartados, suelen ser bastante económicos. 




MOSFET:

es un dispositivo controlado por tensión. una tension puerta fuente lo suficiente grande activara el dispositivo dando lugar a una pequeña tensin drenador fuente la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MW , lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles.


ZONAS:


Corte: La tensión entre la puerta y la fuente es más pequeña que una determinada tensión umbral  con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto. 
Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor cerrado, modelado por una resistencia,
Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada, éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor. 

Curvas características

Curvas de un MOSFET
Como se podrá observar en las curvas características, este transistor sólo conduce cuando son aplicadas tensiones positivas al drenador, por lo que normalmente estará en no conducción o apagado

APLICACIONES Y VENTAJAS:
es muy usado en convertidores de pequeña y alta frecuencia.
su velocidad de conmutación que esta en el orden de los nanosegundos
su circuito de mando es mas simple
alta impedancia de entrada

DESVENTAJAS:
muy sensibles a descargas electrostáticas.
su protección es relativamente difícil.
su precio es alto.
provoca mayores perdidas en conmutación.

IGBT:
es una conexion integrada de un mosfet y un bjt donde el circuito de exitacion es como del mosfet, mientras que las caracteristicas de conduccion son como las del bjt. su control se logra por la aplicación de una polarización entre puerta y emisor. 
FUNCIONAMIENTO:
Si un voltaje es aplicado a la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente  es conducida y el voltaje  se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente  persiste para el tiempo en el que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. La señal de encendido es un voltaje positivo  que es aplicado a la puerta. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga(asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en la puerta. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje de la terminal puerta. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

CURVA CARACTERISTICA:


APLICACIONES:
es usado para velocidades de conmutación de hasta 20 khz
el igbt tiene una alta impedancia de entrada en la puerta y necesita muy poca energia para conmutarlo como lo mosfet.  tiene una caida de volaje muy pequeña como los bjt.

DISPOSITIVOS SEMICONTROLADOS

TIRISTORES:


Estos conmutadores permiten la activación para su puesta en conducción pero no su activación.
tiene 3 terminales llamados ánodo catodo y compuerta y su control se logra mediante una señal de corriente en su compuerta permitiendo el paso de bloqueo  a conducción

SCR:

Solo permite el paso de corriente en un solo sentido 
El rectificador controlado de silicio, puede activarse mediante un pulso de corriente en su compuerta y puede conmutar altas corrientes por ello su aplicación en la industria como en motores, hornos etc. 

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).


ESTRUCTURA INTERNA:

Es una unión P-N-P-N. cuando esta polarizado directamente dos uniones estarán polarizadas en directa pero una union estara en inversa por lo cual no habrá conducción de corriente.
al aplicarle dicho pulso, la unión inversamente polarizada entrara en ruptura rompiendo la barrera de potencial y por lo tanto permitiendo que entre en conduccion aun sin la corriente de compuerta.
El scr al estar polarizado inversamente no permitira su conmutación.

FUNCIONAMIENTO:

Para que el SCR entre en conducción hay que aplicar una corriente de puerta cuando la tensión ánodo cátodo sea positiva. Una vez que el dispositivo ha entrado en conducción, la señal de la puerta deja de ser necesaria para mantener la corrientede ánodo.se neceseitan almenos 0.7 v para activar el scr 
El SCR continuara conduciendo mientras la corriente de ánodo siga siendo positiva y esté por encima de un valor mínimo denominado nivel de mantenimiento. 




CURVA CARACTERÍSTICA TENSION-CORRIENTE
muestra los parámetros del scr:
en polarizacion directa:
corriente de enganche: es el valor minimo necesario de corriente para que el scr pase d econduccion a bloqueo
corriente de mantenimiento: es el valor minimo de corriente para que el scr permanezca en conduccion


voltaje de ruptura directa: es el valor de voltaje maximo que puede soportar un diodo en polarizacion directa


en polarización inversa: voltaje inverso de ruptura: es el voltaje máximo que puede soportar un scr en polarización inversa

corriente de fuga inversa: Es una corriente mínima pero cuando el scr supere el voltaje inverso de ruptura entra en conducción por lo cual este vlaor se incrementa dañando al propio SCR.


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
- Tensión directa de pico repetitiva 
- Tensión directa
- Corriente directa media 
- Corriente directa eficaz 
- Corriente directa de fugas
- Corriente inversa de fugas 
- Corriente de mantenimiento
  
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS:

• Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.
Impulsos de corriente:
- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).
- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.

 Ángulos de conducción:
- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.
- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.
- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducció


MODO DE ACTIVACIÓN:

Para que entre en estado de conducción (conducir  corriente de ánodo a cátodo) se  usan estos métodos:
Tensión de cebado: consiste en utilizar una tensión de alimentación bastante grande para llevar a ruptura la unión j2 y que pueda pasar la corriente ánodo -cátodo.
Por corriente de compuerta, que es un pulso de corriente en su compuerta rompiendo la barrera de potencial inversamente polarizada que permitirá el flujo de corriente ánodo-cátodo, por tanto la conducción del SCR.
Disparo por temperatura: A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción. 
Disparo por luz: La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo. 

MODO DE BLOQUEO:

Para que entre en estado de bloqueo luego estar conduciendo, se debe reducir la corriente no precisamente hasta cero, pero si a un valor inferior a la llamada corriente de mantenimiento, lo cual se consigue reduciendo la tensión de alimentación, permitiendo que se restablezca la barrera de potencial que bloquea el paso de corriente.

APLICACIONES:

por medio de un scr se puede controlar el angulo de disparo de una onda por lo cual se logra controlar la corriente atraves de elevadas cargas.por medio d eun circuito de aplicaicon  con scr el angulo de fase d ela señlal se modifica, variando la resistencia y la capacitancia teniendo un control entre 0 y 180º de la onda lo que permite variar l acorriente media desde cero hasa su vlaor máximo.



  

DIAC:

El diac puede conducir corriente en cualquier direccion. el circuito equivalente es un par de diodos de cuatro capas conectados en paralelo. el diac no conduce hasta que la tension en sus extremos intenta exceder la tension de cebado en cualquier dirección siendo este voltaje entre 20 y 36 volts según la referencia
El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.
estructura


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 latensión 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.





SÍMBOLO:

CURVA CARACTERÍSTICA:


En la curva característica se observa que cuando
- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto.
- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito 


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.)




CIRCUITOS DE APLICACIÓN:

se usan para el  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.


TRIAC:

el triac actua como dos rectificadores controlados de silicio en paralelo invertidos. el triac puede controlar la corriente en cualquier direccion ya sea por un disparo negativo o positivo en la compuerta.


estructura interan: al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional.
Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a lapuerta.(G).


 permitiendo asi controlara la dirección de los dos sentidos d ela corriente alterna


a causa de su estructura interna, los triacs tienen tensines y corrientes de disparo mayores que los scr


CURVA CARACTERÍSTICA:


 Se puede observar que presenta estado de conducción tanto para corriente  positiva como negativa, y puede ser disparada desde el estado de corte al de conducción tanto para voltaje  positiva como negativa. Además, la corriente de puerta que fuerza la transición del estado de corte al de conducción puede ser tanto positiva como negativa.


los triacs se pueden utilizar para el control de fase por medio de  de la tenun circuito RC que varia el angulo de fase d el atenison de puerta del triac. cuando la tension en el condensadro es suficientemente grande para proporcionar la corriente d ediparo, el triac conduce, una vez en ese stado,el tria continua conduciendo hasta que la tenison de red vuelve a cero
Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. sin embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muy reducida.

GTO:
al igual que el SCR, se activa al aplicar una corriente de puerta de corta duracion cuando la tension anodo-cátodo es positiva.
el gto también puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa
la corriente de desactivacion debe ser muy grande comparada con la corriente de activacion
estructura interna:
imagen
FUNCIONAMIENTO:


Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.



CURVA CARACTERÍSTICA

APLICACIONES:
Es apropiado en aplicaciones donde es necesario controlar tnato la activacion como la desactivacion del interruptor
La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.


La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.

DISPOSITIVOS NO CONTROLADOS


DIODOS DE POTENCIA:
                                            

son conmutadores electrónicos no controlados los cuales conducen corriente en un solo sentido.
Es un dispositivo no lineal, debido a su barrera de potencial.
tiene dos estados:


 bloqueo : los interruptores se modelan como circuitos abiertos
 conducción: los circuitos se modelan como cortocircuitos


ESTRUCTURA INTERNA:


Esta conformado por la unión P-N donde la parte P se llama ánodo y la parte N se llama cátodo.Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N 

 POLARIZACION DIRECTA:

Se da al aplicar una tensión positiva del lado p y negativa del lado n. A mayor tensión aplicada externamente corresponderá una barrera interna menor y podremos llegar a conseguir que dicha barrera desaparezca totalmente, entrando en estado de conducción.

POLARIZACIÓN INVERSA: 

Se da conectando el negativo de la fuente en el lado P del diodo  y el positivo d e la fuente en el lado N.
El terminal positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión.

CARACTERÍSTICAS

ESTÁTICAS
Son las características de tensión y corriente de un diodo las cuales son mostradas mediante la curva de características
                       
Tensión umbral:
conocida como tensión de codo, antes  de este valor, la corriente es muy pequeña, después de este valor  la corriente empieza a incrementarse rápidamente (anula la barrera de potencial.
Valor tensión umbral:
Para el Silicio: 0,7 v
Para el Germanio: 0,05 - 0,06 v

Tensión de saturación:
A partir de este valor la corriente a través del diodo se mantiene constante.
Valor tensión de saturación:
Para el Silicio: 0,8 - 0,9 v
Para el Germanio:  0,15 - 0,2v

Corriente inversa de saturación:
conocida como corriente  de fugas y depende de la temperatura.
Valor  corriente inversa de saturación:  Su valor es despreciable, ya que es del orden de los nanoampaerios (0,05 Ua, 10 uA)

Tensión inversa de ruptura: Después de este valor el  diodo pierde su capacidad de bloqueo y fluye una gran corriente inversa, haciendo que el diodo se destruya.
Valor Tensión inversa de ruptura: 50 V


CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS
Recuperación inversa: se da en el paso de la conducción al bloqueo, debido a la conducción de una corriente inversa durante un tiempo, ya que cuando pasa por cero la tensión no se anula instantáneamente.
Recuperación directa: se da en el paso de bloqueo a conducción, debido a la respuesta inicial de bloqueo del diodo a la corriente, que produce una sobretensión, que depende del ancho y resistividad d e la zona central del diodo
APLICACIONES
rectificación de media onda:
En ella la rectificación esta en serie con la carga y la fuente en la cual :
Solo pasa n ciclos positivo de la tensión de fuente hacia la carga
Los ciclos negativos no pasaran porque en ese momento el diodo estará
en bloqueo (polarización inversa)
rectificación onda completa:
En ella se usan los diodos en determinadas configuraciones con lo cual la señal alterna se convierte en continua quedando solo positiva ya que se convirtiendo los semiciclos negativos en positivos .
rectificación trifasica:


En ella ya no es una sino 3 fases a rectificar donde  hay 6 diodos de los cuales 3 funcionan como detector máximo  que conecta  a la carga la mayor de las tensiones) y los otros 3 como detector mínimo es decir que conectara a la carga la menor de la tensión

 TIPOS
Algunos de los tipos mas importante son:


DIODO ZENER:
Es un diodo  especial para funcionar en la zona de ruptura. 
Su uso principal se da en los reguladores de tensión
   
    DIODO LED:
Este diodo irradia luz,  estando en polarización directa.
A diferencia de los  diodos normales que la energía la disipan en forma de   calor, el diodo led la disipa en forma de luz

DIODO SCHOTTKY:


Tienen una rápida velocidad de conmutación por lo cual se usan para grandes
frecuencias alrededor de los 300 MHZ.Cuando el diodo pasa de 
polarización directa a inversa tiene un tiempo de recuperación inverso de casi 
cero a diferencia de los diodos rectificadores que tardan un tiempo en 
cortarse después que se le ha cambiado su polaridad
Diodo regulador de corriente
Mantiene  la corriente constante en un valor fijo incluso cuando varíe la 
tensión aplicada. Es usado en los reguladores  de corriente.
Funciona de forma opuesta a los diodos ZENER.


DIODO TÚNEL:


En el se presenta un fenómeno llamado resistencia negativa, que quiere decir 
que al aumentar la tensión en polarización directa disminuirá la corriente
directa.Son usados en los osciladores de alta frecuencia