80238706 Guias de Lab Oratorio de Electronic a de Potencia II

GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA ANALOGA II

FREDY ANDRES SERNA CARMONA

Trabajo Dirigido de Grado presentado Como requisito parcial para optar al

Titulo de Ingeniero Electricista.

Director: FREDY BOLAÑOS MARTINEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLIN

FACULTAD NACIONAL DE MINAS

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………….3

RESUMEN………………………………………………………………………………..4 1. INTRODUCCION…………………………………………………………5 2. GUIAS DE LABORATORIO 2.1 Modelado de Dispositivos Semiconductores usando PSPICE………6 2.2 Uso del transistor BJT como amplificador de pequeña señal………...9 2.3 Uso del transistor Bipolar como conmutador………………………….13 2.4 Uso del transistor BJT como acoplador de impedancias…………….17 2.5 Amplificadores con transistores de efecto de campo (FET)…….……21 2.6 Oscilador de Relajación con el transistor mono unión UJT………….23 2.7 Circuito de Regulación de Potencia en Corriente Alterna…………...25 3. TEORIA Y PRÁCTICA SOBRE ALGUNOS DISPOSITIVOS

ELECTRONICOS DE POTENCIA

3.1 Introducción a los dispositivos de potencia………………..…………27 3.2 El diodo de potencia…………………………………………………….29 3.3 El transistor de potencia………………………………………………..39 3.4 Código de los transistores………………………………………………57 3.5 El scr………………………………………………………………………63 3.6 El triac……………………………………………………………………..67 3.7 El diac……………………………………………………………………..72 3.8 Optoaclopladores………………………………………………………...74 3.9 Circuitos de aplicación…………………………………………………..77 4. CONCLUCIONES………………………………………………………..81 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS…………………………………………………...82

LISTA DE FIGURAS

Figura Pàg 1. Comportamiento eléctrico del diodo 29 2. Onda de salida del rectificador de media anda 30 3. Rectificador de media onda con filtro 32 4. Rectificador de onda completa 33 5 Rectificador de onda completa con filtro 34 6. Doblador de tensión 35 7. Doblador de tensión 36 8. Multiplicador de tensión 36 9. Tiempos de conmutación 37 10. Tiempos de conmutación 38 11. Parámetros importantes de los transistores 39 12. Regiones del transistor 40 13. Transistor como interruptor 41 14. Transistor como interruptor 41 15. Transistor como interruptor en paralelo 43 16. Señal de conmutación 45 17. Prueba de los transistores 53 18. Variantes del circuito del transistor 54 19. Circuito con valores numéricos 55 20. Ejemplo 55 21. Circuito con carga 56 22. Circuito con carga capacitiva 60 23. Aplicaciones 61 24. Interfaces 62 25. Interfaces 62 26. Scr 63 27. Circuito con Scr 64 28. Formas de onda con Scr 65 29. Formas de onda con Scr 65 30. Tiempo de Suicheo 66 31. Triac 67 32. Circuito con triac 68 33. Formas de onda con triac 69 34. Construcción básica del triac 69 35. Disparo del triac 71 36. Diac 72 37. Optoaclopladores 74 38. Circuito de aplicación 77 39. Fototiristor 78 40. Dimmer 79 41. Control de velocidad 80 42. Control de potencia 81 43. Control de iluminación 81

RESUMEN

GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA ANAOLGA II Por: Fredy Andrés Serna Carmona Director: Fredy Bolaños Martínez Dirección: Facultad nacional de minas, Ingeniería eléctrica, Medellín. Fecha: Noviembre, 2008 La electrónica análoga es una herramienta muy poderosa que ayuda a resolver problemas a nivel cotidiano e industrial. La electrónica se ha ido posicionando en nuestro medio de una forma acelerada, ya que tanto en las residencias como en la industria los artículos y procesos se hacen cada vez mas automáticos buscando la eficiencia de los mismos y la comodidad para el usuario. Las guías de laboratorio que les presentamos a continuación pretenden ser un camino por el cual el aprendiz pueda conocer los procesos básicos que se dan en la práctica de la electrónica analógica. Aunque sabemos que pueden existir otros caminos, incluso mejores que este, consideramos que presentamos en estas guías los elementos y componentes mas relevantes de la electrónica análoga. El presente trabajo se puede dividir en dos partes fundamentales: En la primera parte se encuentran las guías propuestas para desarrollar en el laboratorio de electrónica análoga II, cada una de ellas con su respectiva práctica y un instructivo acerca del informe que se le debe presentar al docente. En cada práctica se aborda un problema relacionado con el funcionamiento y respuesta de algún dispositivo propio de la electrónica análoga. Se hace énfasis, en las primeras practicas, al empleo del transistor, ya que este dispositivo es esencial en el desarrollo de la electrónica análoga. Otra rama de la electrónica que ha ido ganando mucha fuerza es la electrónica de potencia, sobre todo a nivel industrial. En las guías trabajamos el triac, el cual es un dispositivo de electrónica de potencia con el cual se pueden hacer diversos controles de potencia para la corriente alterna. En la segunda parte de este trabajo encontraremos una vasta recopilación de aspectos teóricos y datos técnicos de los dispositivos mas relevantes utilizados en la electrónica análoga y de potencia, esto con el fin de motivar al estudiante a fundamentar sus montajes de laboratorio en el conocimiento del funcionamiento teórico y de las diferentes respuestas esperadas de los dispositivos, y así, procurar que los estudiantes no realicen los montajes electrónicos como realizando una receta y que el éxito de los mismos no sea una casualidad, si no es fruto de un trabajo científico. PALABRAS CLAVES: Electrónica, Análoga, Potencia, Transistor, Triac, Control de

Potencia,

INTRODUCCION

El presente trabajo de grado tiene dos ingredientes, uno de ellos fue la asesoría de las prácticas en el laboratorio con los estudiantes de electrónica análoga II de la facultad de minas de la Universidad Nacional. Esta fue una experiencia de la cual no solo afiance mis conocimientos en la materia, si no que tuve la oportunidad de compartir con diferentes personas aspectos relacionados con uno de los temas que más me apasiona como lo es la electrónica. En el desarrollo de la electrónica se puede apreciar como a través del tiempo diversas personalidades han aportado algo a esta ciencia con lo cual se ha hecho cada ves mas elaborada y precisa, sin embargo las personas que escogimos este camino sabemos que cuando se realizan montajes electrónicos uno se parece mas a un artista que a un científico, ya que lo impredecible de la mecánica cuántica, que es la ciencia que rige el mundo microscópico, pareciera que se trasladara al mundo real. Los componentes electrónicos están lejos de comportarse iguales a sus semejantes y menos en condiciones diferentes. Capacitancias parasitas, ruido eléctrico, instrumentos de medida descalibrados, entre otros muchos factores que obligan al estudiante a desarrollar el sentido común y otras capacidades que a simple vista pareciera que no tienen que ver con la electrónica. Por esto es de vital importancia la práctica de la electrónica en el laboratorio ya que al igual que la natación se podría decir que la electrónica se aprende en la práctica. Otro de los aspectos que encierra la realización de este trabajo fue el desarrollo teórico que se llevo a cabo a partir de las prácticas. Se realizo un trabajo de investigación de los diferentes componentes básicos de la electrónica análoga y se seleccionaron los aspectos técnicos y datos de los dispositivos que poco se ven en las aulas de clase, pero que son importantes para el ingeniero a la hora de realizar diseños. En la parte final del presente trabajo se encuentra una breve selección de proyectos de electrónica análoga y de potencia para aquellas personas mas interesadas que quieran profundizar en el tema y que quieran realizar el montaje de las mismas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y MECÁNICA ELECTRÓNICA ANÁLOGA II

Modelado de Dispositivos Semiconductores usando PSP ICE

Objetivos:

- Modelar Diodos y transistores de uso comercial usando PSPICE. - Dibujar las curvas de transferencia de dispositivos semiconductores por

medio de la herramienta PROBE. - Realizar análisis en DC y en el dominio del tiempo de circuitos con

diferentes elementos semiconductores. Planteamiento de la Práctica: Circuito básico con Diodos

Figura 1. Circuito con Diodo

Para el circuito de la figura 1, los valores de los elementos mostrados son: VDC: 1 voltio. Vseñalp: 2 voltios pico–pico a 60 Hz.

R1: 1 kilo ohmio. D1: Diodo de Silicio 1N4004. Determine de manera teórica el voltaje y la corriente de polarización (DC) del Diodo y establezca su punto de operación (quisciente). Luego, usando PSPICE simule la descripción nodal mostrada a continuación:

Figura 2. Descripción nodal en PSPICE

Por medio de la herramienta de simulación obtenga:

a. El punto de operación (polarización) del Diodo. b. Los valores máximo y mínimo para el voltaje en el diodo (VD). c. Los valores máximo y mínimo de la corriente en el diodo (ID). d. La forma de onda del voltaje en el diodo respecto al tiempo. e. La curva de transferencia del Diodo.

Trabajo adicional

- Simule un rectificador tipo puente usando diodos 1N4004. Asuma que el voltaje de alimentación alterno es de 10 voltios de pico a una frecuencia

de 60 Hz, y una carga resistiva con RL = 1kΩ. Obtenga las formas de onda de voltaje y corriente en la carga y voltaje y corriente en uno de los diodos.

- Para el circuito rectificador tipo puente del punto anterior, simule una

carga reactiva, agregando un condensador de 1uF en paralelo con la resistencia. Obtenga las formas de onda de voltaje y corriente en la carga y en uno de los diodos.

- Para el circuito con transistor que se muestra a continuación:

Figura 3. Amplificador en Emisor Común

Determine los valores teóricos del punto de operación usando los siguientes datos: VBB: 5 voltios. RB: 100k RC: 1k VCC: 20 voltios Q1: Transistor NPN de Silicio – 2N2222 o 2N3904. Seguidamente, con la ayuda del simulador encuentre el punto de polarización de Q1 usando el modelo de alguno de los dos transistores propuestos para el circuito. Asuma que la fuente de señal alterna tiene

un voltaje de pico de 10 milivoltios a una frecuencia de 1 kHz y encuentre el valor de la ganancia del amplificador, definida como:

Señal

Salida

V

VG =

Informe: El informe de la práctica debe contener:

- Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Análisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografía.

Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm En este enlace está la lista de todos los parámetros que se pueden definir para modelar Diodos: http://www.acsu.buffalo.edu/~wie/applet/spice_pndiode/spice_diode_table.html Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Un ejemplo completo de cómo modelar amplificadores con transistor BJT en PSPICE. Incluye él modelo del transistor 2N2222: http://www.fe.uni-lj.si/spice/getstarted/getstarted.html


Uso del transistor BJT como amplificador de pequeña señal

Objetivos:

- Probar las capacidades de amplificación del transistor BJT en diversas configuraciones.

- Obtener experimentalmente y por medio de simulaciones, las curvas de transferencia del transistor BJT.

- Comparar las bondades y desventajas de cada configuración para el transistor.

Planteamiento de la Práctica: Configuración de Base Común Usando como referencia el amplificador en pequeña señal de la figura 1, diseñe uno cuya ganancia de voltaje sea igual a 50. Establezca los valores de los elementos referenciados en la figura.

Figura 1. Amplificador en base común para el BJT

Una vez calculados los elementos necesarios en el amplificador, simule el circuito con la ayuda PSPICE. En caso de no lograr resultados satisfactorios, rediseñe el circuito hasta cumplir con el requerimiento de ganancia. Monte el circuito en el laboratorio y verifique las condiciones de polarización establecidas en el diseño y la ganancia de voltaje del circuito amplificador. Se propone la siguiente configuración para obtener las curvas características de salida del circuito amplificador en base común:

Figura 2. Circuito propuesto para obtener las curva s características de salida

del transistor Con el circuito propuesto se deben tener en cuenta las siguientes cuestiones:

- Se pretende obtener un gráfico del voltaje colector–base (vCB) contra la corriente de colector (iC).

- La gráfica se puede observar en el osciloscopio en el modo X–Y. - La tierra del circuito debe estar separada (aislada) de la tierra del

osciloscopio. - La fuente de voltaje alterno (Vin en la figura) deberá tener un voltaje pico

suficiente para que la operación del transistor alcance las regiones de corte, activa y saturación, de modo que sean visibles en la curva obtenida.

Explique brevemente el funcionamiento del circuito propuesto y haga las modificaciones que considere pertinentes para montarlo y probarlo en el

laboratorio. Tome nota de la gráfica obtenida y compárela con las curvas de transferencia de salida disponibles del fabricante del transistor. Configuración en Emisor Común Calcule los valores de los componentes de la siguiente configuración en Emisor común de tal forma que el voltaje de polarización colector–emisor (VCE) del transistor sea de 10 voltios.

Figura 3. Configuracin en emisor común por divisor de voltaje

Calcule la ganancia en pequeña señal del circuito (vout/vin). Confronte los resultados teóricos con los resultados de una simulación en PSPICE. Finalmente, monte el circuito y verifique tanto las condiciones de polarización presupuestas, como la ganancia de voltaje AC del amplificador. Proponga e implemente un circuito para obtener las curvas características del transistor BJT en una configuración de Emisor Común. Tome nota de las curvas obtenidas en el osciloscopio y compárelas con las obtenidas para la configura de base común. Configuración en Colector Común Investigue acerca de la configuración en Colector Común. Establezca una topología (circuito) para simular en PSPICE. Obtenga los valores teóricos y simulados de las ganancias de voltaje y corriente del circuito y discuta acerca de las posibles utilidades del mismo.


- Las respuestas a los cuestionamientos hechos en el planteamiento. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Análisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografía.

Sitios de Interés: Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material en inglés acerca de las configuraciones básicas del transistor BJT: http://people.deas.harvard.edu/~jones/es154/lectures/lecture_6/pdfs/lecture25.pdf Material en inglés sobre técnicas de polarización del transistor BJT: http://morley.eng.ua.edu/J332.pdf Material de un curso del MIT sobre Circuitos y Electrónica en español notas de clase y con recursos multimedia como videos: http://mit.ocw.universia.net/6-002/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/CourseHome/index.htm Explicación de las regiones de operación del transistor y de las diferentes configuraciones: http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp


Uso del transistor Bipolar como conmutador

Objetivos:

- Analizar el funcionamiento del transistor BJT en sus regiones de corte y saturación.

- Diseñar circuitos que garanticen el funcionamiento no lineal del transistor.

Planteamiento de la Práctica: Circuito Inversor con BJT

Figura 1. Circuito inversor con BJT

La figura 1 muestra la forma más simple de un circuito inversor digital usando un transistor bipolar. La señal de entrada Vin corresponde a una fuente de pulsos cuadrados entre 0 y 5 voltios, a una frecuencia determinada. El transistor Q1

corresponde a un BJT 2N2222 o a una 2N3904. El resto de elementos del circuito deberán ser determinados por parte del grupo de laboratorio. La idea es diseñar un circuito que genere un tren de pulsos de salida, con niveles entre 0 y 5 voltios. Como se puede corroborar en simulaciones o en el laboratorio. Los pulsos de salida son una versión invertida (negada) de los pulsos de entrada. Luego de hacer las simulaciones pertinentes con PSPICE, estime hasta que valor de frecuencia de la señal de entrada (Vin) el circuito funciona de manera correcta. Puede usar como referencia los niveles de voltaje válidos para la Tecnología TTL, los cuales se muestran a continuación:

Rango de voltajes Interpretación 0 – 0.8 voltios 0 lógico 2.5 – 5 voltios 1 lógico

0.8 – 2.5 voltios No definido

Pruebe el circuito inversor en el laboratorio y verifique los resultados de la simulación. Compuertas de varias entradas

Figura 2. Compuerta RTL

Deduzca el funcionamiento de la compuerta de tres entradas de la figura 2. Llene una tabla de verdad para el circuito. Se sugiere suponer solo dos posibles estados para las entradas A, B y C. Esos dos estados corresponden al 1 lógico (5 voltios) y al 0 lógico (cero voltios). La tabla de verdad relaciona todas las posibles combinaciones de las señales de entrada con las salidas correspondientes. Una vez analizado el circuito, simúlelo usando PSPICE. Investigue que nombre se le da a este tipo de compuerta. Finalmente, corrobore el funcionamiento del circuito en el laboratorio. Investigue qué tecnologías digitales usan transistores bipolares en la construcción de compuertas. Informe: El informe de la práctica debe contener:

- Cálculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos.

- Análisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografía.

Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material de ayuda sobre el funcionamiento del transistor BJT como conmutador: http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/electronica/tem4_7_.htm Las familias lógicas DTL y RTL: http://usuarios.iponet.es/agusbo/uned/propios/apuntes/flog1.PDF Material sobre las familias lógicas: http://www.uhu.es/raul.jimenez/DIGITAL_I/dig1_vii.pdf


Uso del transistor BJT como acoplador de impedancia s

Objetivos:

- Entender el concepto de acople de impedancias y su aplicabilidad en la electrónica analógica.

- Diseñar un circuito de acople de impedancias con transistores bipolares. Planteamiento de la Práctica: El propósito del acoplamiento de impedancias es aislar una etapa analógica de otra por medio de un circuito que posea una gran impedancia de entrada y una impedancia de salida moderada o pequeña. Supóngase la configuración de la figura 1, en donde los terminales A y B corresponden al lugar en donde se conectará una carga. En la figura 1, las resistencias R1 y R2, pueden modelar las impedancias internas de la fuente o el sensor.

Figura 1. Configuración de la fuente de señal

Supóngase ahora que entre los terminales A y B se conectará un amplificador cuya impedancia de entrada es de 100 Ohmios. Por medio de cálculos o simulaciones, obtenga la magnitud del voltaje entre los terminales A y B cuando la carga esta presente y cuando no lo está.

Como puede verse, al conectar la resistencia directamente entre los terminales A y B, se presenta una disminución del voltaje, como consecuencia de la corriente que fluye hacia la

carga. Un circuito acoplador de impedancias permite aislar una etapa de la otra, tal y como lo muestra la figura 2.

Figura 2. Funcionamiento del acoplador de impedancias.

La idea con el circuito de la figura 2 es mantener la corriente i1 tan pequeña como sea posible, al tiempo que los voltajes v1 y v2 deben permanecer iguales. El resultado neto de esta configuración es que no se presentara disminución del voltaje entre los terminales A y B, como consecuencia de la conexión de una etapa amplificadora adicional. Para poder cumplir con estos objetivos, un acoplador de impedancias, o seguidor deberá poseer una gran impedancia de entrada, una pequeña impedancia de salida y una ganancia de voltaje de 1. La figura 3 muestra un circuito seguidor construido con un transistor BJT en emisor común. Establezca de manera teórica y por medio de simulaciones el punto de operación del circuito, la ganancia de voltaje, la impedancia de entrada y la impedancia de salida del amplificador. Suponga que la frecuencia de operación de la señal de entrada es 10 kHz. Supóngase ahora que el circuito seguidor de la figura 3 va a reemplazar el acoplador de impedancias de la figura 2. Calcule a la luz de la discusión establecida cual sería el voltaje en la carga bajo estas condiciones. Finalmente monte el circuito en el laboratorio, verifique el punto de operación del amplificador, y el comportamiento predicho en las simulaciones. Compare los resultados experimentales con los esperados.

Figura 3. Circuito Emisor–Seguidor o de Colector Común.


- Cálculos previos de los circuitos a implementar. - Las descripciones PSPICE hechas por el grupo de laboratorio. - Los resultados obtenidos. - Análisis de los resultados. - Conclusiones. - Bibliografía.

Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Material de un curso del MIT sobre amplificador seguidor–emisor (en español): http://mit.ocw.universia.net/6.071/s02/pdf/f02-lec14.pdf


Amplificadores con transistores de efecto de campo (FET)

Objetivos:

- Usar el transistor de efecto de campo (FET) en su región lineal para amplificar señales de frecuencia media.

- Diseñar un circuito de polarización para un transistor FET y entender las diferencias que ocurren con respecto al transistor bipolar.

- Identificar las ventajas prácticas del uso de FETs en amplificadores. Planteamiento de la práctica: Amplificador MOSFET

Para el circuito amplificador de la figura anterior, calcule el valor de las resistencias RD y RF para cumplir con las siguientes condiciones:

- El punto de operación (ID, VDS) debe quedar lo más centrado posible, para permitir una máxima excursión de la señal de salida.

- La ganancia de voltaje debe ser mayor o igual a 30.

Simule el circuito en PSPICE y verifique que las restricciones al diseño se cumplen en la simulación. Asuma que la señal de entrada tiene una frecuencia de 5 kHz y que los condensadores de acople son de 1 µF. Monte el circuito en el laboratorio. Tome nota del punto de operación y de la ganancia obtenida, para comparar luego estos valores con los teóricos y los obtenidos de la simulación. Discuta las causas de las posibles diferencias. Acoplador de impedancias

Usando el MOSFET IRF830 y los siguientes valores de los elementos del circuito: C1, C2 1 uF Rs 1k Rd 1k Rg 1 MOhms Vi 1 vpico/5 kHz Determine tanto de manera analítica como por medio de una simulación, el punto de operación del transistor, la ganancia de voltaje del amplificador y las impedancias de entrada y de salida del circuito. Para la simulación use una resistencia de carga (a la salida del amplificador) de 10k. Monte el circuito y verifique los resultados anteriores. Analice las causas de cualquier diferencia que se presente en el laboratorio. Investigue acerca de la tecnología CMOS, para la construcción de compuertas digitales.



Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Principios Básicos de los transistores de Efecto de Campo (FET): http://www.electronics-manufacturers.com/info/electronic-components/field-effect-transistor.html http://www.nutsvolts.com/~downloads/fetmay.pdf Hoja de especificaciones del dispositivo FET IRF830: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/8/IRF830-D.shtml


Oscilador de Relajación con el transistor monounión UJT

Objetivos: - Estudiar el principio de funcionamiento del transistor monounión (UJT). - Usar el UJT en una aplicación de oscilador de relajación típica. - Aprovechar la potencialidad del UJT como un elemento de disparo.

Planteamiento de la práctica

El circuito de la figura representa un oscilador de relajación usando un transistor monounión 2n2646 para Q1. Los valores de los demás elementos del circuito se listan a continuación: R 1k C 2.2uF

R1 100 R2 20 Q1 2N2646 Por medio de la simulación o del análisis del circuito, establezca la formas de onda en los nodos A y B del circuito. Explique brevemente el funcionamiento del circuito. Compare los valores y formas de onda con aquellos obtenidos en la práctica. Analice los resultados y explique posibles fuentes de discrepancia. Informe: El informe de la práctica debe contener:


Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete Página con proyectos usando transistores monunión: http://www.talkingelectronics.com/Projects/UJT/UJT_Page.html Oscilador de relajación con UJT: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/relaxo.html


Circuito de Regulación de Potencia en Corriente Alterna Objetivos: - Entender el principio de funcionamiento de un Tiristor. - Analizar el comportamiento de un Triac con disparo interno. - Calcular las características del circuito de disparo de un tiristor.

Planteamiento de la práctica En la práctica de laboratorio se usará el siguiente circuito, que pretende regular la potencia de CA presente en la carga (RL).

Los valores de los elementos de disparo se listan a continuación: R1 100k R2 Potenciómetro de 1M C 0.01 uF / 200v

Asumiendo que el voltaje de disparo del terminal T del Q4010 es 38 voltios (valor medio), por medio de una simulación obtenga los ángulos de disparo para diferentes valores del potenciómetro C. Corrobore los valores obtenidos con los resultados experimentales. Determine los valores de potencia (RMS) en la carga teóricos para los ángulos de disparo obtenidos anteriormente. Para la carga se puede asumir una resistencia de orden de 100 Ohmios (bombillo de 100 W). Corrobore de manera experimental los resultados obtenidos y discuta las ventajas de tener el disparador DIAC integrado el terminal de puerta del tiristor. ¿Será deseable esta situación en todos los casos? Que ocurriría si se pusiese un diodo en serie con el condensador de disparo (C). ¿Qué diferencias notables ocurren entre un SCR y un TRIAC? ¿Es posible obtener con este circuito un ángulo de disparo α=0o? ¿Qué implicaciones tendría esto para el circuito de disparo? Investigue otras alternativas para el disparo de los tiristores. Informe: El informe de la práctica debe contener:


Sitios de Interés: En el siguiente enlace se encuentra una guía rápida PSPICE versión 9.1 en español: http://www.ics.upm.es/recursos/ManualSpice.pdf Un listado completo de los dispositivos y comandos PSPICE se puede encontrar en: http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm Una amplia biblioteca de modelos PSPICE con diodos, transistores y otros elementos de uso común en electrónica, proveída por un fabricante: http://www.fairchildsemi.com/models/PSPICE/Discrete

ASPECTOS TEORICOS DE ALGUNOS DISPOSITIVOS DE ELECTRONICA ANALOGA Y DE POTENCIA

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Uno de los aspectos importantes a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales. El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: • Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y

otro de baja impedancia (conducción). • Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia. • Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está

en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. • El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento

habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

• Ahora veremos los tres bloques básicos de semiconductores de potencia y sus

aplicaciones fundamentales: 1. SEMICONDUCTORES DE ALTA POTENCIA

DISPOSITIVO INTENSIDAD MÁXIMA Rectificadores estándar o rápidos 50 a 4800 Amperios Transistores de potencia 5 a 400 Amperios Tiristores estándar o rápidos 40 a 2300 Amperios

GTO 300 a 3000 Amperios

Aplicaciones:

• Tracción eléctrica: troceadores y convertidores. • Industria: • Control de motores asíncronos. • Inversores. • Caldeo inductivo. • Rectificadores. • Etc.

2. MÓDULOS DE POTENCIA

DISPOSITIVO INTENSIDAD MÁXIMA Módulos de transistores 5 a 600 A. 1600 V. SCR / módulos rectificadores 20 a 300 A. 2400 V. Módulos GTO 100 a 200 A. 1200 V. IGBT 50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones:

• Soldadura al arco. • Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). • Control de motores. • Tracción eléctrica.

3. SEMICONDUCTORES DE BAJA POTENCIA

DISPOSITIVO INTENSIDAD MÁXIMA SCR 0'8 a 40 A. 1200 V. Triac 0'8 a 40 A. 800 V Mosfet 2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones:

• Control de motores. • aplicaciones domésticas. • Cargadores de baterías. • Control de iluminación. • Control numérico.

• Ordenadores, etc. Aplicaciones generales:

• Transistores: Lavadoras, aire acondicionado, refrigeración, robótica, control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida.

• Triac: Lavadoras. • GTO: Tren electrico, sistemas de alimentación ininterrumpida, control de

motores. • MOSFET: VCR, hornos microondas, fuentes de alimentación conmutables,

robótica, automoción. • IGBT: Robótica, control de motores, sistemas de alimentación

ininterrumpida

EL DIODO Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

FIGURA 1 La curva característica será la que se puede ver en la figura 1, donde: VRRM: tensión inversa máxima. VD: tensión de codo. A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma: Características estáticas: • Parámetros en bloqueo (polarización inversa). • Parámetros en conducción. • Características dinámicas: • Tiempo de recuperación inverso (trr). • Influencia del trr en la conmutación. • Tiempo de recuperación directo. • Potencias:

o Potencia máxima disipable. o Potencia media disipada. o Potencia inversa de pico repetitivo.

o Potencia inversa de pico no repetitivo. • Características térmicas. • Protección contra sobreintensidades. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Parámetros en bloqueo Tensión inversa de pico de trabajo (V RWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. PARÁMETROS EN CONDUCCIÓN Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Tiempo de recuperación inverso. El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad, resultará que después del paso por cero de la

corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores. ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Influencia del trr en la conmutación. Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable:

• Se limita la frecuencia de funcionamiento. • Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación

inversa. • Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación

rápida. Factores de los que depende trr:

• A mayor IRRM menor trr. • Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será

la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr. Tiempo de recuperación directo. tfr (tiempo de recupera ción directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF. Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables.

DISIPACIÓN DE POTENCIA Potencia máxima disipable (Pmáx). Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo. Potencia media disipada (PAV). Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas. Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media). Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM). Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM). Similar a la anterior, pero dada para un pulso único. CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS Temperatura de la unión (Tjmáx). Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo. Temperatura de almacenamiento (Tstg). Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura. Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc). Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:

Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx

Siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable. Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd). Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES

Principales causas de sobreintensidades. La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentación de motores, carga de condensadores, utilización en régimen de soldadura, etc. Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de evacuar las calorías generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica). ÓRGANOS DE PROTECCIÓN Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrápidos" en la mayoría de los casos. Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus características indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensión. Parámetro I2t. La I2t de un fusible es la característica de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios. Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el diodo. Un ejemplo de una ficha característica es la que se presenta a continuación.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Teniendo en cuenta los conceptos básicos y características de funcionamiento tratadas en el módulo de electrónica básica y éste, veremos como se puede emplear el diodo para realizar un rectificador de media onda sencillo. Una descripción breve del funcionamiento del rectificador de media onda se da a continuación.

En la figura 2, se muestran las formas de onda. Durante el semi ciclo positivo el ánodo del diodo se polariza positivo, mientras que el cátodo queda polarizado negativamente a través de la resistencia, en consecuencia conduce y obtendremos sobre la resistencia una caída de tensión de la misma forma que la corriente, o sea que prácticamente será la misma onda de entrada, ya que la resistencia interna del diodo y el voltaje de conducción generalmente son muy pequeños comparados con el voltaje de entrada. Cuando el voltaje de entrada es de un valor relativamente bajo, el voltaje en el diodo debe ser restado al voltaje de entrada para obtener el voltaje de salida.

FIGURA 2

Durante el semiciclo negativo el diodo queda polarizado inversamente, el ánodo negativo y el cátodo positivo, en consecuencia no hay conducción, sólo una pequeña corriente de fuga, la cual es del orden de los nano amperios y en la mayoría de los casos prácticos se desprecia, salvo que la resistencia R fuera muy grande y por consiguiente la caída de tensión fuera apreciable.

En la mayoría de los casos, el diodo va a ser interpretado como un interruptor que se cierra durante un semiciclo y se abre para el otro.

Vpp = voltaje pico a pico. Vp = voltaje pico = Vpp/2 Vrms = voltaje eficaz = 0.707 Vp. Vdc = voltaje promedio o directo. Para vi es cero, pero para vo es = Vp/π = 0,318 Vp. En la figura 3 se muestra el circuito conectado a un condensador y también la carga resistiva.

FIGURA 3

Al aplicar el semi ciclo positivo y el condensador estar inicialmente descargado, éste se cargará a la velocidad del voltaje de entrada y la corriente dependerá de su reactancia capacitiva. Cuando alcance el voltaje Vp, se iguala el voltaje de entrada con el voltaje del condensador y por lo tanto la diferencia de voltaje entre ánodo y cátodo del diodo es cero, a partir de ese momento el voltaje de entrada empieza a descender, quedando el ánodo con menor voltaje que el cátodo, o sea polarizado inversamente, en consecuencia el diodo no conduce y el condensador no tiene por donde descargarse permaneciendo indefinidamente con el voltaje Vp. Figura 3. El diodo, al comportarse como un interruptor abierto, aparecerá entre sus extremos un voltaje en sentido inverso que es igual al voltaje de entrada en serie con el voltaje Vp existente en el condensador, llegando a alcanzar el nivel de 2Vp el voltaje inverso aplicado al diodo.

Al colocar la carga resistiva, el condensador encuentra un camino por el cual se puede descargar y la onda de salida tendrá la forma de Vo de la figura 3.

t1 es el tiempo durante el cual se descarga el condensador, pues cada semi ciclo rectificado lo vuelve a cargar, la forma de carga será prácticamente senoidal pues ocurre a través del diodo que presenta una resistencia muy baja y el voltaje de entrada es senoidal, pero la descarga es en forma exponencial puesto que el voltaje durante el tiempo de no conducción en el condensador, es un voltaje dc que se descarga por una resistencia.

En la gráfica se observa que durante la descarga, la parte inicial también es senoidal, esto es debido a que al comienzo los condensadores se descargan más rápido que la velocidad de variación de la onda de entrada, luego el proceso de descarga es más lento. En la implementación de este tipo de circuitos se busca que t1 sea muy pequeño comparado con la constante de tiempo (t = R*C), para que el condensador se descargue muy poco y así el voltaje a la salida permanezca con muy poca variación.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRANSFORMADOR

Cuando se aclara en este tipo de circuito el uso de transformador es porque se necesita una derivación central del mismo, sin embargo el rectificador de media onda puede usar o no transformador, en la necesidad que se tenga de elevar o disminuir el voltaje disponible de entrada. En la figura 4 se muestra el diagrama correspondiente a un rectificador de onda completa con transformador.

FIGURA 4 La tensión de secundario entre los extremos debe ser el doble que la necesitada en un circuito de media onda e igual entre un extremo y la derivación central. Funcionamiento. Durante el semiciclo positivo el diodo D1 queda polarizado directamente, positivo el ánodo y por la derivación central (tap) se aplica el negativo al cátodo. El diodo D2 está polarizado inversamente y en consecuencia no circula corriente por él. Cuando llega el semi ciclo negativo, el diodo D1 queda polarizado inversamente y D2 queda polarizado directamente, la corriente de carga de C durante este tiempo, tiene la misma dirección que en el caso anterior, en consecuencia durante los dos semi ciclos el condensador recibe carga. Si se mantienen los mismos valores de R y C, el tiempo t1 de descarga se reduce y en consecuencia se descarga menos el condensador, esto permite una mejor rectificación, es decir que el voltaje DC aumenta y el rizado o ripple es menor, la frecuencia de estas variaciones será el doble que la frecuencia del rectificador de media onda.

PUENTE RECTIFICADOR

Este tipo de rectificador es de onda completa, pero no necesita derivación central del transformador. El voltaje de entrada es el mismo que para el rectificador de media onda, esto lo hace muy útil cuando no se dispone de un voltaje mayor o de un transformador con derivación central. En la figura 5 se muestra el circuito compuesto por cuatro diodos.

FIGURA 5 Durante el semi ciclo positivo de la onda senoidal de entrada, la corriente de carga de C circula por los diodos D1 y D3 como muestra la figura 5 con línea continua, ya que los diodos quedan polarizados directamente, positivo el ánodo de D1 y negativo el cátodo de D2, los diodos D3 y D4 quedan inversamente polarizados; para el otro semi ciclo los que quedan polarizados directamente son estos últimos e inversamente los primeros; el flujo de la corriente se muestra con la línea punteada. En ambos casos la corriente de carga del condensador es en la misma dirección, lográndose así carga para los dos semi ciclos como en el caso estudiado para la onda completa, pero necesitándose el mismo voltaje que para rectificación de media onda y evitándose el uso de derivación central.

DOBLADORES DE TENSIÓN En algunos casos es necesario un voltaje mayor que el disponible de la red. Con los transformadores o con dobladores se puede lograr este propósito. Cuando se usan transformadores se debe tener en cuenta el limitante de potencia que tiene éste y por lo tanto si se aumenta el voltaje no se puede obtener la misma corriente sin correr el peligro de dañarlo. En el circuito de la figura 6 se muestra un tipo de doblador de tensión. Está conformado por dos rectificadores de media onda, uno para un semi ciclo positivo y el otro para el semi ciclo negativo, colocándose de tal forma que el voltaje en los condensadores se sume, obteniéndose así 2Vp.

FIGURA 6

Otro sistema que cumple la misma función es el de la figura 7.

FIGURA 7

MULTIPLICADORES DE TENSIÓN

El caso del doblador de tensión último por sujeción de voltaje se puede generalizar para lograr triplicadores, cuadriplicadores y en general para lograr multiplicadores de voltaje. También se pueden lograr combinaciones de dobladores del primer tipo, con rectificadores de media onda para obtener un triplicador o cuadriplicador.

En la figura 8 se muestra un circuito generalizado para un triplicador.

FIGURA 8 Con esta información básica estamos listos para realizar la primera práctica, pero no antes de refrescar los conocimientos con la realización del taller.

EL TRANSISTOR El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia: • Bipolar. • Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). • IGBT.

PARÁMETROS MOS BIPOLAR Impedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios) Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100) Resistencia ON (saturación) Media / alta Baja Resistencia OFF (corte) Alta Alta Voltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V) Máxima temperatura de operación Alta (200ºC) Media (150ºC)

Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz) Coste Alto Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares: • Trabaja con tensión. • Tiempos de conmutación bajos. • Disipación mucho mayor (como los bipolares). • Es de gran interés que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento

ideal: • Pequeñas fugas. • Alta potencia. • Bajos tiempos de respuesta (ton, toff), para conseguir una alta frecuencia de

funcionamiento. • Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor. • Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado (VCE máxima

elevada). • Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton, toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores. PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor. TIEMPOS DE CONMUTACIÓN

FIGURA 9 Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas

aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro. Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.

FIGURA 10 Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final. Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final. Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final. Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones:

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton). Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:

OTROS PARÁMETROS IMPORTANTES

FIGURA 11 Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector). Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo. VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto. VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto. Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET). Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.

Relación corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa). MODOS DE TRABAJO Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser:

FIGURA 12

Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente. Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0). Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0). TRANSISTORES BIPOLARES

TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

Además del uso de los transistores como amplificadores en señales variables, el transistor puede ser utilizado como interruptor en circuitos de control. El transistor

no reemplaza ni duplica la acción de un interruptor de contactos mecánicos, pero si presenta ciertas ventajas sobre éstos. La figura 17 muestra un diagrama esquemático donde el transistor es empleado como interruptor.

FIGURA 13

La figura 17 muestra la resistencia de carga colocada en el circuito del colector y en serie con éste. El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor como interruptor se encuentra abierto, impidiendo el flujo de corriente por la carga, o cerrado, permitiendo el flujo de corriente. Cuando Vin es un voltaje bajo, no hay flujo de corriente por la unión base-emisor. Con una corriente de base nula, no hay corriente de colector, y por tanto, no circulará corriente por la carga. Bajo esta condición el transistor opera como un interruptor abierto en serie con la carga. Cuando el transistor opera de esta manera se dice que está CORTADO o EN CORTE. Cálculos relacionados con el transistor como interruptor Cuando un transistor como interruptor se supone EN CORTE, Vin debe encontrarse por debajo de 0,6 V si el transistor es de silicio. Esto asegura que no fluye corriente de base al transistor, porque se necesita como mínimo 0,6 V de polarización directa de la unión base-emisor para que exista corriente a través de ella. Para garantizar el CORTE del transistor, los circuitos de conmutación se diseñan de modo que Vin sea menor a 0,30 V cuando el transistor se supone EN CORTE. Si el terminal de entrada se lleva a tierra, lo más probable es que el transistor se corte. Para energizar (dar corriente a) la carga, el transistor debe operar como un interruptor cerrado. Esto se consigue elevando Vin a un valor suficientemente alto para llevar el transistor a saturación. La condición de saturación es aquella en la cual la corriente de colector es lo suficientemente grande para que todo el voltaje

de alimentación, Vcc, aparezca en los terminales de la resistencia de carga. Idealmente, esta corriente de colector está dada por la expresión:

IC(sat) = Vcc / RLD

que es la ley de Ohm aplicada al circuito del colector. La corriente de base viene dada por la expresión:

IB(sat) = IC(sat) / β = Vcc / βRLD la cual relaciona las corrientes directas del colector y base. El término β de la Ecuación significa el βdc (ganancia de corriente directa) del transistor en oposición al βac. El βdc y el βac pueden ser diferentes en algunos transistores. De todas maneras, para cerrar el interruptor, Vin debe ser suficiente, para entregar la cantidad de corriente de base necesaria de acuerdo con la Ecuación anterior. Dado que el circuito de base es simplemente una resistencia en serie con la unión base-emisor, Vin puede calcularse a partir de:

Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V

Vin = (Vcc Rb / βRLD) + 0,6 V

Si el voltaje de la base es igual o mayor al dado por la ecuación anterior, el transistor opera como un interruptor cerrado y la totalidad del voltaje de alimentación es aplicado a la carga. En resumen, un transistor puede operar como un interruptor mecánico en serie con la carga; esto significa que la acción de abrir o cerrar el interruptor, la ejecuta el voltaje de entrada tal como un actuador mecánico, el pistón de un solenoide, o la armadura de un relé, que son métodos comunes para la operación de interruptores mecánicos. Para evitar confusiones, los transistores usados como interruptor en este módulo, son del tipo npn. Ciertamente, los transistores del tipo pnp pueden ser igualmente usados, pero son menos frecuentes.

Ejemplo 1. Observe la figura 18. ¿Cuál es la magnitud del voltaje de entrada necesario para cerrar el interruptor (saturar el transistor)? ¿Cuánta corriente circula por la carga cuando esto sucede? ¿Cuál es la magnitud de la corriente de base necesaria?. Rb = 1K, β = 150, Rcarga = 16Ω.

FIGURA 14

Solución . De la ecuación Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V, Vin = (Vcc Rb / βRLD) + 0,6 V; en saturación, la totalidad de la fuente de alimentación es aplicada a la carga, de modo que,

IC(sat) = Vcc / RLD = 24 V / 16Ω = 1,5 A

Luego

IB(sat) = IC(sat) / β = Vcc / βRLD = 24 V / (150)(16Ω) = 10 mA El voltaje de entrada está dado por:

Vin = IB(sat)Rb + 0,6 V = (10 mA)(1K) + 0,6 V = 10,6 V

El ejemplo muestra que una gran corriente de carga, 1,5 A, puede ser conmutada por pequeños valores de voltaje y corriente de entrada. Contrariamente a lo que podría esperarse, el transistor utilizado no es necesariamente un transistor de potencia montado en un disipador, porque la gran cantidad de corriente del colector viene acompañada por un voltaje colector-emisor muy bajo e inclusive cero y así la potencia disipada (el producto de la corriente de colector por el voltaje colector-emisor) es pequeña.

COMPARACIÓN DEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR CON UN INTERRUPTOR MECÁNICO

Hasta ahora, la discusión de la operación del transistor como interruptor se ha hecho suponiendo que se comporta como un cortocircuito cuando está cerrado. Esto no es del todo cierto. El transistor no puede saturarse hasta el punto de que el voltaje colector-emisor sea absolutamente cero. La mayoría de los transistores de silicio para pequeña señal tienen un voltaje de saturación colector-emisor, VCE(sat), de alrededor 0,2 V. Los transistores de conmutación tienen un bajo VCE(sat), generalmente del orden de 0,1 V para valores razonables de corriente de carga. Para valores altos de corriente de carga, VCE(sat) tiende a aumentar un poco. En la

gran mayoría de los cálculos, no es necesario considerar el valor de VCE(sat) pero es importante estar consciente de su magnitud cuando se hacen mediciones en circuitos de conmutación. Esta pequeña caída de voltaje es la principal desventaja del transistor como interruptor frente a un interruptor mecánico. La pequeña caída de voltaje es en sí un problema, porque esto impide que se puedan conectar en serie varios transistores operando como interruptores, como se hace con los interruptores mecánicos. Por ejemplo, los contactos de los relés comúnmente se conectan en serie entre ellos y con otros interruptores.

Sin embargo, el transistor como interruptor puede operar en paralelo tal como se muestra en la figura 19.

FIGURA 15

Algunas ventajas de los transistores sobre los interrupto res mecánicos convencionales

a. No tienen partes móviles, por tanto no sufren desgaste y pueden operar un número ilimitado de veces. Los contactos de los interruptores convencionales están sujetos a desgaste y esto limita su vida útil a unos pocos millones de operaciones. Además, como los transistores no tienen contactos físicamente expuestos, es imposible que sustancias extrañas se adhieran a su superficie e impidan un buen cierre. Este problema es muy común en los interruptores mecánicos, sobre todo cuando están localizados en ambientes polvorientos o sucios. b. El transistor como interruptor es mucho más rápido que un interruptor convencional, los cuales tienen tiempos de cierre del orden de los milisegundos, mientras que el transistor operando como interruptor tiene tiempos de cierre (tiempo de encendido) del orden de los microsegundos. c. El transistor como interruptor no presenta el rebote inherente de los in-terruptores mecánicos. El rebote es un problema que se presenta en los contactos de un interruptor, el cual se cierra y abre varias veces (en una sucesión rápida) antes de efectuarse el cierre perfecto. La figura 20 muestra la forma de onda

(ampliada) del voltaje en la carga contra el tiempo, cuando un interruptor mecánico energiza la carga y cuando es un transistor operando como interruptor el que la energiza.

FIGURA 16

d. Cuando un transistor como interruptor acciona una carga inductiva, no se produce arco al momento de la desconexión. Cuando un interruptor mecánico que actúa sobre una carga inductiva se abre, la fuerza contra-electromotriz inducida, algunas veces produce un arco entre los contactos. Este arco no solamente deteriora la superficie de los contactos, sino que también puede ser peligroso en determinadas circunstancias.

Prueba de los transistores que operan como interruptor

Desafortunadamente, por simple inspección visual es imposible determinar si un transistor se encuentra abierto o cerrado, tal como sucede con los interruptores mecánicos. Es necesario un medidor para detectar el cierre del interruptor. La figura 21 se usará para ilustrar el procedimiento que se sigue en el chequeo de un transistor de conmutación en el circuito. En general, cuando un transistor está CONDUCIENDO, VCE será cercano a 0 V, y cuando está en CORTE VCE será igual a VCC.

FIGURA 17 La lectura de VCC cuando el transistor está abierto es debido a que no existe corriente por la carga y por tanto no hay caída de voltaje. La totalidad del voltaje

aplicado, cae en terminales del transistor tal como sucede en un interruptor convencional. Si la carga no está energizada como se espera, es necesario chequear Vin. Este voltaje debe ser lo suficientemente alto para garantizar la CONDUCCIÓN del transistor. Si esto no sucede, el problema es la fuente de señal y no el transistor. Si Vin es lo suficientemente alto para CONDUCCIÓN del transistor y la carga está aún desenergizada, la falla puede estar en la fuente de alimentación. En el estado de CONDUCCIÓN, un transistor de silicio debe tener un VBE de alrededor de 0,6V. Si Vin es lo suficientemente alto para saturar el transistor pero VBE es más alto o más bajo que 0,6 V, por ejemplo, 1,5 ó 0,2 V, la unión base-emisor está dañada y el transistor debe ser remplazado. Los transistores de potencia están diseñados y construidos para manejar grandes corrientes y algunas veces tienen un VBE por encima de 1 V. Por tanto, en caso de que VBE sea 1,5V esto no significa necesariamente una unión dañada. Es aconsejable referirse a las características dadas por el fabricante cuando se presenta esta situación. Si VBE es normal y existe corriente de base, entonces se debe inspeccionar VCE. Si VCE es cercano al voltaje de alimentación Vcc el transistor tiene dañada la unión colector-base y debe ser remplazado. Si VCE es 0 V y la carga está desenergizada, probablemente ella está en circuito abierto. En este caso la carga debe ser remplazada. Cuando Vin cae a un voltaje bajo, el transistor se supone CORTADO y la carga desenergizada. Si la carga permanece energizada, la falla se debe probablemente a la existencia de un cortocircuito entre colector y base o entre colector y emisor, por tanto el transistor debe ser remplazado.

VARIANTES DEL CIRCUITO BÁSICO DEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

Algunas veces no es cierto que el supuesto voltaje bajo de entrada será lo suficientemente bajo para CORTAR el transistor. Esto sucede cuando el voltaje de entrada es cercano a 0,6V, digamos 0,5V. En estas situaciones específicas deben tomarse precauciones que garanticen el CORTE del transistor. La figura 22 muestra dos métodos comúnmente utilizados para este propósito.

FIGURA 18

En la figura 22 se muestra, en la primera figura, un diodo conectado en serie con el circuito de base. Esto causa un aumento en el voltaje de entrada necesario para inyectar una corriente de base al circuito. Los 0,6 V necesarios para que el diodo entre a conducir, son sumados a los 0,6 V necesarios para que la unión base-emisor, entre también en conducción. Por consiguiente, si Vin es cercano a 0,6 V debido a una falla en la fuente de señal, el transistor permanecerá CORTADO, y el interruptor abierto. La segunda figura muestra una resistencia de sujeción, R2, agregada al circuito básico. Esta resistencia hace lo que su nombre indica, esto es, sujeta el transistor en CORTE cuando Vin está en una condición marginal. El voltaje en el terminal de base es siempre más negativo (menos positivo) que Vin. Por consiguiente, si Vin es marginal, el voltaje de base es llevado por debajo de 0,6 V por la resistencia de sujeción conectada a una fuente de voltaje negativo. Cuando Vin está en el rango de valores altos, el voltaje de base es suficiente para llevar el transistor a CON-DUCCIÓN aún con la resistencia de sujeción presente en el circuito. Ejemplo 2 . Suponga tres valores diferentes de voltaje de entrada en el circuito de la figura 23: (a) 0,1 V, (b) 0,6V y (c) 3,5V. Para cada voltaje de entrada, calcular el voltaje de base y el estado en el cual se encuentra el transistor (CORTADO o CONDUCIENDO).

FIGURA 19

Solución a. Comencemos por asumir que la unión base-emisor se encuentra polarizada in-versamente, de modo que las resistencias se encuentran efectivamente en serie. Entonces, para Vin = 0,1V,

VR = (6,8K x 2,1 V) / (6,8K + 2,2K) = 1,6 V

donde VR2 es el voltaje a través de R2. La cantidad 2,1 V es la diferencia de po-tencial total a través de la combinación de resistencias en serie, o la diferencia entre los voltajes de +0,1 y -2,0V. El voltaje de base respecto a tierra puede ha-llarse por:

Vb = -2 V + 1,6 V = -0,4 V

De acuerdo con el divisor de voltaje, Vb será -0,4V. Esto indica que la unión base-emisor está inversamente polarizada; por tanto, el supuesto original es válido y R1 y R2 pueden ser tratadas como resistencias en serie. Debido a que la base es negativa con respecto al emisor, el transistor está CORTADO, y el interruptor está abierto. b. Para un valor de voltaje de 0,6 V, la caída de voltaje en R2 puede determinarse por:

VR2 = (6,8K x 2,6 V) / (6,8K + 2,2K) = 1,9 V

Por tanto, Vb = -2,0 V + 1,9 V = 0,1 V. Nuevamente, la unión base-emisor está polarizada inversamente, el supuesto es válido y R1 y R2 están efectivamente en serie. El transistor se encuentra EN CORTE y el interruptor abierto. c. Si el voltaje de entrada es 3,5V, los cálculos son:

VR2 = (6,8K x 5,5 V) / (6,8K + 2,2K) = 4,1 V

Los 5,5V en la ecuación anterior corresponden al voltaje a través de la combina-ción de resistencias, +3,5V a -2,0V. El voltaje de la base es:

Vb = -2 V + 4,1 V = 2,1 V

lo cual es imposible. En este caso, la unión base-emisor se encontrará polarizada directamente y no permitirá que el voltaje de base esté por encima de 0,6 V, por tanto, la combinación de resistencias no puede considerarse como un circuito serie. El cálculo del voltaje de base, produce un valor inaceptable porque el

supuesto inicial es falso. El transistor estará CONDUCIENDO, y el interruptor estará cerrado. Condensadores de Conmutación. Para aumentar la velocidad de respuesta de los transistores como interruptor en aplicaciones donde se requiere alta velocidad de conmutación, se utiliza una variante como la que se muestra en la figura 23. El condensador en paralelo con Rb se denomina generalmente condensador de conmutación o aceleración, porque acelera el paso hacia CONDUCCIÓN o CORTE del transistor. Cuando Vin aumenta por encima del nivel cero y comienza a entregar corriente al transistor, el condensador en un primer instante actúa como un cortocircuito, dado que no puede cargarse instantáneamente. Por tanto, la corriente por la base durante este primer instante de CONDUCCIÓN es mayor que la normal porque Rb está efectivamente cortocircuitada. Esta gran corriente de base lleva el transistor rápidamente a saturación. Más tarde, una vez el condensador se ha cargado completamente, se comporta como un circuito abierto y no afecta la operación del transistor. Cuando el voltaje de entrada cae al nivel cero para llevar el transistor a CORTE, el condensador tiende a polarizar inversamente la unión base-emisor durante un tiempo pequeño, porque se encuentra cargado con el + a la izquierda, como lo muestra la figura 24 al instante en que Vin comienza a caer. Cuando Vin alcance el nivel cero, el terminal de entrada queda efectivamente conectado al emisor, el voltaje entre los terminales del condensador polarizan inversamente la unión base-emisor, llevando el transistor más rápidamente a CORTE que cuando C no existe.

FIGURA 20 Una buena selección del condensador de conmutación, puede reducir el tiempo de acceso a CONDUCCIÓN o CORTE de los transistores de conmutación a pocas décimas de microsegundos o menos. El valor de la mayoría de los condensadores de conmutación es del orden de algunos cientos de picofaradios. Algunas veces la carga en un transistor de conmutación, no se encuentra conectada en serie con el colector sino como se muestra en la figura 25. Este método es similar al utilizado para conectar una carga a un amplificador ac para pequeñas señales, con la diferencia que aquí no se utiliza el condensador de

acople. Es de notar que la carga es energizada cuando el transistor está en CORTE y desenergizada cuando se encuentra en CONDUCCIÓN. Esta situación es opuesta a la situación previa, en la cual la carga estaba en serie con el colector. Es importante tener bien claras estas dos situaciones porque ambas son frecuentes.

FIGURA 21

Interruptor Totem-pole. En aplicaciones donde la carga tiene asociada una capacitancia (considerada en paralelo con RLD), el método de la figura 25 no es adecuado porque produce un aumento lento del voltaje en la carga después que el transistor entra en CORTE. Esto es debido al tiempo necesario para cargar la capacitancia asociada a través de la resistencia de colector Rc. A medida que aumenta el valor de la capacitancia y/o el valor de la resistencia Rc, mayor será la constante de tiempo (CRc), y mayor el tiempo de subida del voltaje en la carga. Si un tiempo de subida grande no es aceptable, el circuito a usarse es el de la figura 26.

FIGURA 22 El cricuito denominado Totem-pole es llamado así porque un transistor está localizado encima del otro. Para energizar la carga, T, es llevado a CONDUCCIÓN y T2, a CORTE; esto hace que el extremo superior de la carga quede conectado a Vcc. Para desenergizar la carga. T1 es llevado a CORTE y T2 a CONDUCCIÓN; esto hace que el extremo superior de la carga quede conectado a tierra. Cuando el transistor está CONDUCIENDO, la resistencia que presenta es nula (como se muestra en la figura 26) o muy pequeña, por tanto, el tiempo de subida disminuye

y el efecto de retardos es prácticamente eliminado. Cuando T1 CONDUCE, el extremo superior de la carga queda conectado al positivo de la fuente. Se dice en-tonces que T1 "ha llevado la carga arriba" y es llamado un transistor de pull-up. T2 es llamado un Transistor de pull-down. El circuito de entrada de la figura 26 es el encargado de llevar T1 y T2, a CORTE y CONDUCCIÓN e impedir la CONDUCCIÓN simultánea de los dos transistores en el mismo instante. Si ambos entrasen en CONDUCCIÓN, en el mismo instante, se producirá un cortocircuito y ocasionaría el daño de al menos uno de los transistores. Por la misma razón, los interruptores Totem-pole no pueden conectarse en paralelo como se muestra en la figura 19. Si el transistor T1 de un interruptor y el transistor T2 de otro interruptor son llevados a CONDUCCIÓN en el mismo instante se produce un cortocircuito de la fuente de alimentación. Si lo desea, puede dibujar un par de interruptores Totem-pole con sus salidas unidas y observar que esto puede suceder.

APLICACIONES DEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

Lámparas indicadoras El transistor como interruptor es usado comúnmente para manejar lámparas indicadoras. Una lámpara indicadora es aquella que visualiza la condición de un cierto punto de un circuito. Puede ser usada para mostrar que un cierto arrancador está energizado, o que un cierto interruptor de fin de carrera está cerrado, o que una cierta línea de un circuito digital se encuentra en nivel alto. Por ejemplo, el primer esquema de la figura 27 muestra un transistor como interruptor utilizado para visualizar la salida de un flip-flop. Cuando la salida del flip-flop es nivel alto, el transistor CONDUCE y la lámpara se enciende. Un observador puede con sólo un vistazo, darse cuenta del estado del flip-flop sin tener que recurrir a un instrumento para medirlo.

FIGURA 23 Algunas veces la fuente de señal tiene poca capacidad de corriente, y aún la corriente que toma la base del transistor que opera como interruptor es una carga inaceptable. En estos casos, otra variante del circuito básico es utilizada, como se muestra en la misma figura, dos transistores conectados en cascada. Cuando la

salida alcanza el nivel alto T1, que está conectado como un seguidor de emisor, entra en CONDUCCIÓN. Debido a la alta impedancia de entrada inherente al seguidor de emisor, la corriente que toma del flip-ílop es muy pequeña. La corriente de colector de T1, fluye hacia la base de T2, el cual entra en CONDUCCIÓN y enciende la lámpara.

Indicadores digitales. El circuito de la figura 27 es usado repetitivamente en aplicaciones como los Indicadores digitales. Un Indicador digital es un medio que permite tomar un número binario contenido en un circuito lógico y presentarlo de modo que sea fácilmente comprensible por un operador y/o un observador.

Interface entre diferentes niveles de voltaje

Podemos decir que todo circuito de control industrial puede dividirse en tres partes. Estas tres partes son llamadas, sección de entrada, sección lógica y sección de salida. En los sistemas industriales para una operación confiable y segura, las secciones de entrada y salida deben operar a voltajes altos, generalmente 115 V ac. Dado que la sección lógica está formada por dispositivos de estado sólido de bajo voltaje, tenemos que establecer un método que nos permita hacer compatibles las secciones de entrada y salida, operando a voltajes altos, y la sección lógica operando a voltajes bajos. Este problema de acoplamiento de secciones diferentes entre sí, se denomina un problema de interface, y los circuitos que hacen posible este acoplamiento, se denominan circuitos de interface. El transistor como interruptor es de uso frecuente en este tipo de circuitos.

Una aplicación del transistor como interruptor, es su uso como activador de un relé. La figura 28 muestra esta aplicación y podemos decir que es un método sencillo y barato para acoplar las secciones lógica y de salida. Una señal de bajo voltaje proveniente de una parte del circuito lógico, entrega la corriente de base necesaria al transistor como interruptor, el cual al entrar en CONDUCCION, energiza la bobina del relé. El contacto del relé, el cual está aislado eléctricamente del circuito lógico, aplicará el alto voltaje al dispositivo de salida, como por ejemplo, el solenoide de una electroválvula como se muestra en la figura 28.

FIGURA 24

El diodo en paralelo con la bobina del relé es un diodo rueda libre o diodo contra-electromotriz. Su función es la de cortocircuitar la fuerza contra-electromotriz inducida en la bobina en el instante de su activación. Si el diodo no existiese, la fuerza contra-electromotriz, se presentaría como un transitorio de alto voltaje, el cual puede dañar el transistor. Para interfazar las secciones de entrada y lógica, el transistor como interruptor puede usarse como se muestra en la figura 29 cuando el interruptor de fin de carrera se cierra, el transformador reductor se energiza, y hace que el rectificador de onda completa entregue corriente directa a la base del transistor. El transistor entra en CONDUCCIÓN y su voltaje de colector cae a cero. Esta señal de 0 es interpretada por el circuito lógico como el cierre del interruptor de fin de carrera.

FIGURA 25 Si el interruptor de fin de carrera se abre, el transformador se desenergiza, el transistor entra en CORTE, y el voltaje del colector será Vcc. El circuito lógico ha sido diseñado para interpretar esta señal de voltaje Vcc correspondiendo al interruptor de fin de carrera abierto.

CÓDIGOS DE LOS TRANSISTORES Normalmente cuando se tiene un transistor marcado no se sabe de qué tipo es. Un rápido consejo es mirar siempre por números conocidos (ej. 723, 6502, etc.) entre el sufijo y el prefijo, y tener cuidado con no confundirlo con la fecha. Joint Electron Device Engineering Council (Jedec) Estos toman la forma: Dígito, letra, número de serie, [sufijo] donde la letra es siempre 'N' El primer dígito es siempre una unidad menor que el número de pines, (2 para transistores), excepto para 4N y 5N que están reservados para optoacopladores. El primer número 2 de algunas referencias, indican la cantidad de junturas de material tipo N y P del dispositivo, entonces una referencia que comience con el 1 tratara de un elemento con una sola juntura como el caso de los diodos. El número de serie se sitúa entre el 100 y el 9999 y no dice nada sobre el transistor, salvo su fecha aproximada de introducción. El [sufijo] opcional indica la ganancia (hfe) genérica del dispositivo: A = ganancia baja B = ganancia media C = ganancia alta Sin sufijo = cualquier ganancia En las hojas de características del dispositivo se puede saber la ganancia exacta del dispositivo. La razón para agrupar la ganancia de forma genérica es que los dispositivos de baja ganancia son bastante más baratos que los de alta ganancia, lo que se traduce en un ahorro para un gran número de usuarios. Ejemplos: 2N3819, 2N2221A, 2N904. Japanese Industrial Standard (JIS) Toman la forma: Dígito, dos letras, número de serie, [sufijo] Nuevamente, el dígito es una unidad menor que el número de pines.

Las letras indican el área de aplicación y tipo de dispositivo según el siguiente código: SA: Transistor PNP HF SB: Transistor PNP AF SC: Transistor NPN HF SD: Transistor NPN AF SE: Diodos SF: Tiristores SG: Dispositivos de disparo SH: UJT SJ: FET/MOSFET de canal-p SK: N-channel FET/MOSFET SM: Triac SQ: LED SR: Rectificadores SS: Diodos de señal ST: Diodos avalancha SV: Varicaps SZ: Diodos zener El número de serie varía entre 10 y 9999. El [sufijo] opcional indica que dicho tipo está aprobado para el empleo por varias organizaciones japonesas. NOTA: Desde que el código de los transistores siempre comienza por 2S, este es siempre omitido (en la mayoría de los casos), por ejemplo: un 2SC733 puede estar marcado como C 733. Ejemplos: 2SA1187, 2SB646, 2SC733. Pro-electron Toman la forma: Dos letras, [letra], número de serie, [sufijo] La primera letra indica el material: A = Ge B = Si C = GaAs R = mezcla de materiales. No es necesario decir que la gran mayoría de los transistores comienzan por B. La segunda letra indica la aplicación del dispositivo: A: Diodo RF B: Variac C: transistor, AF, pequeña señal D: transistor, AF, potencia E: Diodo tunel

F: transistor, HF, pequeña señal K: Dispositivo de efecto Hall L: Transistor, HF, potencia N: Optoacoplador P: Dispositivo sensible a la radiación Q: Dispositivo productor de radiación R: Tiristor, baja potencia T: Tiristor, potencia U: Transistor, potencia, conmutación Y: Rectificador Z: Zener, o diodo regulador de tensión La tercera letra indica que el dispositivo está pensado para aplicaciones industriales o profesionales, más que para uso comercial. Suele ser una W, X, Y o Z. El número de serie varía entre 100 y 9999. El sufijo indica la ganancia genérica en grupo, como en los JEDEC. Ejemplos: BC108A, BAW68, BF239, BFY51. Otros Aparte de los tres tipos anteriores los fabricantes casi siempre introducen sus propios tipos, por razones comerciales (ej. para poner su nombre en el código) o para enfatizar que el rango pertenece a una aplicación especializada. Los prefijos más comunes son: MJ: Motorolla potencia, cápsula de metal MJE: Motorolla potencia, cápsula de plástico MPS: Motorolla baja potencia, cápsula de plástico MRF: Motorolla HF, VHF y transistores microondas RCA: RCA RCS: RCS TIP: Texas Instruments transistor de potencia (capsula de plástico) TIPL: TI transistor de potencia plano TIS: TI transistor de pequeña señal (capsula de plástico) ZT: Ferranti ZTX: Ferranti Ejemplos: ZTX302, TIP31A, MJE3055, TIS43.

Muchos fabricantes también producen series a medida para un gran volumen destinado a determinados clientes. Estas series están optimizadas para ser empleadas en una determinada parte de un circuito concreto. Normalmente llevan puesto la señal del productor y un número irreconocible. A veces cuando una compañía quiebra o termina la producción se libra de estos transistores, los cuales acaban en packs de oferta para aficionados. No hay forma de reconocer estos dispositivos, así que solo son utilizables como conductores de LED, buffers, etc, donde el parámetro actual no es importante. Una vez identificado el componente hay que acceder a la hoja de características o libro de equivalencias FENÓMENOS TÉRMICOS EN POTENCIA

El estudio térmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento óptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor.

El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocará una reducción de la vida útil del elemento y en el peor de los casos lo destruirá.

En Electrónica de Potencia la REFRIGERACIÓN juega un papel muy importante en la optimización del funcionamiento y vida útil del semiconductor de potencia.

Propagación del calor. En todo semiconductor el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unión. El calor eleva la energía cinética de las moléculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provoca una reducción de la vida útil del dispositivo y en el peor de los casos su destrucción.

La capacidad de evacuación del calor al medio ambiente podrá variar según el tipo de cápsula pero en cualquier caso será demasiado pequeña, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cápsula al medio ambiente.

Formas de transmisión del calor. La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorífico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse de tres formas:

1.- Conducción. Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energía cinética entre moléculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo estableciéndose una circulación de calor. La máxima cantidad de calor que atraviesa dicho cuerpo es aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo.

En este tipo de transmisión se debe tener en cuenta la conductividad térmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura).

2.- Convección. El calor de un sólido se transmite mediante la circulación de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama convección natural. Si la circulación del fluido está provocada por un medio externo se denomina convección forzada.

3.- Radiación. El calor se transfiere mediante emisiones electromagnéticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a -273,15 grados Celsius. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son más favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiación, por este motivo se efectúa un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiación no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a que se trabaja ésta es despreciable.

Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unión por debajo del máximo indicado por el fabricante. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, se debe evacuar al exterior la energía calorífica generada.

La resistencia térmica entre el semiconductor y el disipador depende del sistema de fijación del disipador y el componente, y del estado del plano y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscópico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisión del calor.

También depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitúan entre la cápsula y el disipador pueden ser de dos tipos:

a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad.

b. Láminas aislantes eléctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. También las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona.

El tipo de contacto entre cápsula y disipador podrá ser:

• Directo. • Directo más pasta de silicona. • Directo más mica aislante. • Directo más mica aislante más pasta de silicona.

El valor de esta resistencia térmica influye notablemente en el cálculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que se aplica al dispositivo a refrigerar. En las características técnicas dadas por el fabricante se pueden presentar malas interpretaciones puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde está ubicado el disipador. El tema de los disipadores nos podría llevar a un largo estudio, ya que para la aplicación adecuada de ellos hay un procedimiento técnico muy detallado y lago, por lo tanto nos dedicaremos a conocer algo mas de los dispositivos de potencia. Pero recuerden siempre que cuando se trata de dispositivos de potencia no podemos olvidar los efectos del incremento de temperatura. A parte de los fenómenos térmicos anteriores, al momento de trabajar con dispositivos semiconductores de potencia, es indispensable tener en cuenta las características eléctricas de funcionamiento, esto con el fin de maximizar la eficiencia de trabajo y obtener los mejores resultados de operación sin sacrificar el estado de los componentes. A continuación encontraremos algunas especificaciones y parámetros básicos a tener en cuenta cuando vamos a instalar un semiconductor dentro de un circuito específico.

SCR (Rectificador controlado de silicio)

En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren que se entregue una cantidad de potencia eléctrica variable y controlada. La iluminación, el control de velocidad de un motor, la soldadura eléctrica y el calentamiento eléctrico, son las cuatro operaciones más comunes. Siempre es posible controlar la cantidad de potencia eléctrica que se entrega a una carga si se utiliza un transformador variable para proporcionar un voltaje de salida variable. Sin embargo, para grandes potencias, los transformadores variables son físicamente grandes y costosos y necesitan un mantenimiento frecuente; estos tres factores hacen que los transformadores variables sean poco utilizados. Otro método para controlar la potencia eléctrica que se entrega a una carga, es intercalar un reóstato en serie con la carga, para así controlar y limitar la corriente. Nuevamente, para grandes potencias, los reóstatos resultan de gran tamaño, costosos, necesitan mantenimiento y además, desperdician una cantidad apreciable de energía. Los reóstatos no son la alternativa deseable frente a los transformadores variables en el control de potencia industrial. Desde 1960, está disponible un dispositivo electrónico, el cual no adolece de las fallas antes mencionadas. El SCR es pequeño y relativamente barato, no necesita mantenimiento y su consumo de potencia es bajo. Algunos SCR pueden controlar corrientes altas en circuitos que operan a tensiones del orden de 1000V. El SCR es un dispositivo de tres terminales empleado para controlar corrientes relativamente grandes de una carga.

FIGURA 26

Entre P y K debe haber un pulso positivo para poder activar el SCR y debe crear una caída de voltaje de 0.6 ó 0.7 voltios que es el voltaje de arranque del diodo.

FIGURA 27

Angulo de disparo. Es el tiempo que transcurre antes de que el SCR transfiera potencia a la carga. Angulo de conducción . Tiempo en el cual el SCR entrega potencia a la carga. El SCR sólo permite el paso de corriente durante un semiciclo, durante el semiciclo negativo de la fuente el SCR esta bloqueado ya que quedaría polarizado inversamente.

FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN TERMINALES DEL SCR

FIGURA 28

FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN TERMINALES DE LA CARGA

FIGURA 29

El ángulo de conducción es el complemento del ángulo de disparo para llegar a 180º El bloqueo del SCR se da cuando el voltaje de la fuente pasa por cero. Si conocemos el ángulo de conducción o disparo, podremos calcular el voltaje o el tiempo en el que ocurre el fenómeno. La función que describe la forma de la onda seno es:

V(t) = AxSen(ωt)

A es la amplitud de la señal senoidal. Es el voltaje aplicado, se da en voltios pico-pico (Vp-p). ωt es el ángulo en el que ocurre la transición. La frecuencia de la energía en nuestro país es 60Hz, por lo tanto podemos calcular el tiempo que tarda un ciclo y un semiciclo de esta señal.

T=1/f = 1/60 = 16,66 mS

Por lo tanto medio ciclo tardará 8,33 milésimas de segundo (mS).

FIGURA 30

El voltaje pico-pico lo podemos calcular de la siguiente manera: Sabemos que la tensión monofásica que entrega la red tiene un voltaje de 120 Vrms. Para calcular el Vp-p, empleamos:

Vp-p = Vrms x 1,414 = 120 x 1,414 = 169,68 Vp-p

Ejemplo. Vamos a calcular el tiempo transcurrido y el voltaje cuando el ángulo de disparo del SCR es de 90º.

Solución. v(t) = 169,68Sen(90º) = 169,68 Vp-p Con una regla de tres simple podemos calcular el tiempo transcurrido al momento de ocurrir el disparo del dispositivo. t = (90º x 8,33 mS)/180 = 4,16mS

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS SCR • VDRM: Máximo voltaje que puede soportar el elemento apagado. • ITRMS: Corriente total máxima en polarización directa. Todos los ángulos. • ITAve: (Ángulo de conducción = 180º) Corriente promedio. • IRMS >IAve • IGTMin: Mínima corriente requerida de DC para swichar el elemento. ( I de

puerta total) 200uA – 30mA • VGTMax: Voltaje para activar la puerta del SCR (0.8-2V) • IHoldMin: Mínima corriente de encendido del SCR (Corriente de

mantenimiento) • VGFM: Máximo voltaje de DC permitido en la puerta para que se genere la

corriente directa de la puerta. • VGRM: Máximo voltaje inverso de puerta. • VFon: Voltaje de encendido. • PGAv: Potencia disipada por la puerta. • Dv/dt: Al trabajar con cargas inductivas se crean picos de I altas que crean

cambios de voltaje momentáneos. Parámetro para diseño). • Al trabajar el SCR con cargas inductivas en paralelo se implementa una

resistencia en serie con un condensador en paralelo al SCR con el fin de que el condensador absorba los picos creados por L.

• ISurge: Pico de sobre corriente que el SCR puede soportar. Características de puerta del SCR. Para que el SCR se active requiere de la inyección de un pulso de corriente en la puerta. Esta corriente fluye a través de la unión entre la puerta y el cátodo y sale del SCR por el cátodo. Una vez cebado el SCR no es necesario que continúe fluyendo corriente por la puerta. El SCR permanece en conducción por el tiempo que fluya corriente a través de sus terminales principales de ánodo a cátodo.

NOTA: Cuando el ángulo de conducción disminuye, la potencia en la carga también disminuye y viceversa. La suma del ángulo de disparo y el ángulo de conducción debe ser 180º. El circuito de la figura 40 es un ejemplo de utilización de la misma fuente de voltaje para alimentar el circuito de control de puerta y el circuito de carga. El funcionamiento es el siguiente: Cuando el interruptor esta abierto, no hay circulación de corriente a la puerta y por lo tanto la carga esta desenergizada.

Cuando se sierre SW, habrá corriente hacia la puerta en el semiciclo positivo de la fuente. El ángulo de dispara esta determinado por la posición de de R2. Si R2 es baja, la corriente de puerta será lo suficientemente grande para cebar el SCR cuando la magnitud de la fuente de voltaje sea baja. Por lo tanto el ángulo de disparo será pequeño y la magnitud del promedio de la corriente por la carga será grande. Si R2 es alta, la fuente de voltaje debe subir a un nivel alto para poder entregar suficiente corriente de puerta para el SCR. Esto aumenta el ángulo de disparo y reduce la magnitud del promedio de la corriente de carga. R1 cumple la función de mantener fijo algún valor de resistencia en el caso que R2 sea cero. También determina el ángulo mínimo de disparo. Una desventaja de este circuito es que el ángulo de disparo solo se puede ajustar de 0º a 90º. Ejemplo. Asumamos que el voltaje de la fuente es 120Vrms, IGT es 15 mA, y R1 es 3K. ¿A qué valor se debe ajustar R2 para lograr un ángulo de disparo de 90º? Solución. A 90º el valor instantáneo del voltaje de la fuente es:

120V x 1,414 = 169,68 V

Despreciando la caída de voltaje en la carga y los 0,6 V de la unión puerta – cátodo, la resistencia total del circuito de puerta es:

169,68/15mA = 11,32K

Por lo tanto R2 = 11,32K – 3K = 8,31K

El TRIAC

Control de potencia en corriente alterna (AC) El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control por tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos SCR en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.

FIGURA 31 El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa. La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera: La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba). El triac puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto.

Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa. Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta). Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción. (Recordar que un tiristor sólo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor). Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume. Ejemplo: Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).

FIGURA 32 Donde: - Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.) - L: lámpara - P: potenciómetro - C: condensador (capacitor) - R: Resistencia - T: Triac - A2: Anodo 2 del Triac - A3: Anodo 3 del Triac - G: Gate, puerta o compuerta del Triac El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula).

FIGURA 33 Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga del condensador causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta Nota: la diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas. Con los triacs podemos hacer circuitos como ejemplo un dimmer para regular la luminosidad de una lámpara incandescente o controlar un motor, la carga que puede soportar dependerá de la propia capacidad del triac, puedes encontrar de muchos tipos (1Amper, 3Ampers, 5Ampers, 10Ampers, 30Ampers, etc., etc.,).

Construcción básica

FIGURA 34

La estructura contiene seis capas como se indica en la figura 49 aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y 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. FORMAS DE ONDA DE LOS TRIACS La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta. Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR. Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la siguiente figura se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac (a través de los terminales principales) para dos condiciones diferentes. En la figura 51 las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30º de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga. La parte del semiciclo durante la cual existe esta situación se llama ángulo de disparo. Después de transcurrido los 30º, el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción. También se muestran las mismas formas de ondas pero con ángulo de retardo de disparo mayor.

FIGURA CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL TRIAC VDRM: (Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo) = es el máximo valor de tensión admitido de tensión inversa, sin que el triac se dañe. IT(RMS): ( Corriente en estado de conducción) = en general en el grafico se da la temperatura en función de la corriente. ITSM: (Corriente pico de alterna en estado de conducción (ON)) = es la corriente pico máxima que puede pasar a través del triac, en estado de conducción. En general seta dada a 50 o 60 Hz. I2t: (Corriente de fusión) = este parámetro da el valor relativo de la energía necesaria para la destrucción del componente. PGM: (Potencia pico de disipación de compuerta) = la disipación instantánea máxima permitida en la compuerta. IH: (Corriente de mantenimiento) = la corriente directa por debajo de la cual el triac volverá del estado de conducción al estado de bloqueo. dV/dt: (velocidad critica de crecimiento de tensión en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento máximo permitido de la tensión en el ánodo antes de que el triac pase al estado de conducción. Se da a una temperatura de 100C y se mide en V/ s. tON: ( tiempo de encendido) = es el tiempo que comprende la permanencia y aumento de la corriente inicial de compuerta hasta que circule la corriente anódica nominal.

El DIAC (Diode Alternative Current). Diodo Interruptor de Corrien te Alterna):

Control de potencia en corriente alterna (AC).

El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión). Tiene dos terminales: MT1 y MT2. Este dispositivo semiconductor tiene una estructura similar a un transistor y cuando las tensiones en sus terminales son lo suficientemente altas presenta una conductividad en ambos sentidos, este dispositivo es como 2 diodos shockley ya que conduce en ambos sentidos, este dispositivo es muy usado en conjunto con triacs. El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto. como ya lo dijimos: cuando el voltaje de cualquier polaridad entre sus dos terminales excede el valor especificado, entra en avalancha y disminuye su resistencia interna a un valor muy bajo. Esto significa que, si es colocado en paralelo con la salida de una fuente de corriente alterna podrá recortar todos los picos positivos y negativos que pasen del voltaje del umbral del diac. Si es puesto en serie, solamente dejará pasar corriente cuando lleve más tensión que la del gatillado para triacs en circuitos de corriente alterna. El dispositivo tiene un rango simétrico de conmutación (en ambos sentidos) de 20 a 40 voltios, tensión que usualmente excede el punto de umbral del gate de los triacs, de tal forma que estos trabajan siempre en un nivel seguro. El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza. Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase. La curva característica del DIAC se muestra a continuación.

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 disipación de potencia de 0.5 a 1 watt.)

FIGURA 36

OPTOACLOPLADORES Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotorreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. El principal objetivo de un optoacoplador es aislar las dos partes principales de un circuito, que son la parte de control y la de fuerza, ya que se puede accionar cargas muy grandes como por ejemplo un motor de 220V a 10 Amperios con un pequeño circuito basado un optoacoplador que puede ser un moc 3030 y un triac, la carga que se soportara estará dada por la capacidad del triac.

FIGURA 37

Un optoacoplador de potencia consiste en un circuito electrónico, cuyo principal objetivo es aislar el circuito de la parte de potencia, además un optoacoplador suele quitar los picos, amortigua los parásitos, no reacciona tan bruscamente a la luz y se reducen esos picos problemáticos. Como se puede observar en la imagen superior un optoacoplador simplemente es un led infrarrojo y un fotodetector que puede ser un foto diodo, foto transistor, foto triac, un par de transistores en

configuración foto D´Arlington, un fotoFET, un fotoDIAC, un fotoSCR, un fotoTRIAC o incluso una puerta fotosensible NAND de colector abierto. A manera de información, mencionemos la composición de algunos: Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT. Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac. Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna. Como vemos, hay muchos tipos de optoacopladores pero nos centraremos mas en los que contienen una estructura interna basada en un led infrarrojo y un foto triac como son el moc 3011, moc 3021, moc 3030, moc 3031, moc 3061. Imaginemos que queremos conectar una bomba para un refrigerador pero este trabaja con corriente alterna y además se desea que entre en funcionamiento al mismo momento que se enciendas un computador, entonces lo que se puede hacer es hacer es conectar directamente las terminales 1 y 2 del moc 3030 a los pines del led de encendido de el computador. El diagrama que se encuentra en la parte de abajo nos ilustra el diagrama mas simple de conexión para controlar una pequeña bomba, se ha colocado solo como muestra ya que no es muy aconsejable seguirlo al pie de la letra ya que solo soporta cargas muy pequeñas, si lo que queremos es controlar una carga grande de mas de 200mA necesitamos agregar un triac que será comandado por el optoacoplador.

El circuito que se encuentra abajo se adapta mas a nuestras posibles necesidades, el triac que se ha agregado puede ser de 1 Amperio o bien de 10 Amperios por decir, dependerá de la carga que vaya a manejar, el optoacoplador mas difundido es el moc 3030 así que para no habrá problema en usarlo, la resistencia de 10Kohms en serie con el condensador de 10 nanofaradios son simplemente un filtro que elimina los picos producidos por la carga logrando así prolongar la vida útil del triac y el optoacoplador.

FIGURA 38

Nos podemos preguntar: ¿Para que hacer todo esto, si con un relevador electromagnético se logra lo mismo? El realizar un relevador en estado sólido tiene ventajas sobretodo a mediano y largo plazo, como: Consumo de energía casi nulo, a diferencia de un relevador el cual necesita de una bobina energizada para cambiar de estado la cual consume mucho más en relación a un led. Menor mantenimiento, si se realizan bien los cálculos y el circuito, además de no sobrecargar los limites del triac y la alimentación del optoacoplador podemos decir que el moc tranquilamente soportara 30 años, el triac normalmente soporta menos digamos 20 años, en este tiempo podemos decir que el mantenimiento es nulo ya que no tiene en su interior partes mecánicas a diferencia de un relevador electromagnético. Como ya mencionamos no contiene partes móviles, las grandes ventajas de los componentes en estado sólido es que no sufren de desgaste mecánico producido por fricción, chispazos elongación o calor generado por la misma fricción además de movimientos bruscos, polvo etc. Menor consumo de energía, además del consumo casi nulo del optoacoplador y el triac podemos mencionar que a diferencia de un relevador normal electromagnético el relevador en estado sólido no produce picos de tensión al arranque y paro de la carga. Además de permitir aislamiento eléctrico entre dos circuitos, los optoacopladores

son de reducido tamaño (vienen como CI´s), son de reducido tamaño, muy confiables, de bajo precio y tienen total compatibilidad con los circuitos digitales. Nota: Siempre se ha de usar un disipador con pasta térmica en el triac ya que es el que controla la potencia del circuito. Tipos más comunes: 4N26 - 4N33 - MOC3021 - MOC3041 - MOC3163 - ECG3048 - ECG3021

FIGURA39

Fototiristores: Hemos aprendido que la luz es una forma de energía electromagnética de alta frecuencia, y que como tal, está en capacidad de efectuar trabajo, ya sea calentando objetos que la absorben, motivando la generación de corriente eléctrica, o simplemente disparando la conducción en dispositivos semiconductores diseñados para el efecto. Este es el caso de los fototiristores, en los cuales el desbloqueo se efectúa cada vez que recibe un haz de luz en la juntura de control. Su nombre técnico LASCR, lo que significa "SCR Activado por Luz". El terminal gate se deja simplemente como electrodo para control de sensibilidad.

CIRCUITOS DE APLICACION

EL DIMMER

El Dimmer es un circuito Práctico que permite Variar la Intensidad de la Luz. El Triac (Tr) Varía la Corriente a medida que el Potenciómetro (R1) cambia su valor y esto hace que la intensidad de la luz también lo haga.

Los componentes que se necesitan son:

• R1 50K Potenciómetro • R2 K 1/2W Resistencia • C1,C2 0.068 microFd/250V Capacitor • L1 Bombilla a controlar • L2 Lampara de Neon (Opcional) • TR1 C.I. 40502 Triac

FIGURA 40

CONTROL DE VELOCIDAD PARA MOTORES ALTERNOS DE 1,5 AMP

Este es un buen control de velocidad para motores alternos como el de una máquina de Coser. Como un motor funciona por inducción de carga, a medida que el valor de R cambia ,también lo hace la velocidad del motor.

Estos son los materiales:

• 1 condensador de 1u Farad • 1 condensador de 0.1u Farad • 1 resistencia de 47 Kohms 0.5 W • 1 resistencia de 1 Kohms 0.5 W • 1 Potenciometro de 10 Kohms 1/4 W • 2 diodos A14B u otro de (2.5 Amp) • 1 scr C106B (200V/ 4A) • Como precaución puede poner un Fusible de 1.5Amp

FIGURA 41

CONTROL DE POTENCIA Material . 2 Multímetros digitales 1 Fuente de CD 1 Resistencia 330, ½ W 1 Resistencia 2.7 K , ½ W 1 Resistencia 1 K, ½ W 1 Resistencia 10 K, ½ W 1 Capacitor de 0.15 Uf, 200v 1 Capacitor de 10 Nf, 100v 1 Potenciómetro de 1 M 1 Motor de CD a 12 v 1 Motor de CA a 127v 1 Optoacoplador moc 3011 1 SCR (C106 D) 1 Triac (Q6010L5)

FIGURA 42

CIRCUITO ACTIVADO POR LUZ

FIGURA 43

CONTROL DE INTENSIDAD O VELOCIDAD DE UN MOTOR

Este proyecto permite manejar cargas de corriente alterna, por ejemplo una lámpara incandescente o un pequeño motor, desde un circuito electrónico que genera señales de control de bajo nivel.

Un relé de estado sólido, como su nombre lo indica, es un dispositivo que utiliza un interruptor de estado sólido (por ejemplo un transistor o un tiristor), en lugar de contactos mecánicos (como los de los relés normales), para conmutar cargas de potencia a partir de señales de control de bajo nivel. Estas ultimas pueden provenir, por ejemplo, de circuitos digitales y estar dirigidas a motores, lámparas, solenoides, calefactores, etc. El aislamiento entre la circuitería de control y la etapa de potencia lo proporciona generalmente un optoacoplador. La conmutación propiamente dicha puede ser realizada por transistores bipolares, MOSFETs de potencia, triacs, SCRs, etc.

Un relé de estado sólido ofrece varias ventajas notables respecto a los tradicionales relés y contactores electromecánicos: son más rápidos, silenciosos, livianos y confiables, no se desgastan, son inmunes a los choques y a las

vibraciones, pueden conmutar altas corrientes y altos voltajes sin producir arcos ni ionizar el aire circundante, generan muy poca interferencia, proporcionan varios kilovoltios de aislamiento entre la entrada y la salida, etc. El proyecto es un relé de estado sólido cuya salida se hace a través de un triac, por lo tanto, está destinado a manejar cargas de corriente alterna. En la figura se muestra el diagrama esquemático del circuito.

FIGURA 44

Lista de Materiales

• R1 - 330 Ohmios , 0.5W • R2 - 270 Ohmios, 0.5W • R3, R5- 2.2K Ohmios • R4 - 220 Ohmios • R6 - 10K Ohmios • R7 - 39 Ohmios • C1, C2 - 0.01uF • D1, diodo zener - 15V, 0.5W • D2, D4, diodo, 1N4004 • D3, indicador LED • Q1, transistor - 2N3904 • U1, optoacoplador - MOC3010 • Q2, Triac Q4015L5, 400V/16A. • F1, fusible 10 A.

CONCLUCIONES

El aprendizaje de la electrónica es esencial para el ingeniero de hoy. En un mundo cada vez más tecnológico y automatizado es necesario que el profesional adquiera conocimientos básicos acerca del comportamiento de los diferentes dispositivos electrónicos. En casi todas las áreas productivas las maquinas controladas juegan un papel importante, puesto que es la tecnología lo que da valor agregado al producto y ayuda a ser mas eficientes los procesos, en este sentido, el conocimiento de la electrónica acerca al profesional a tener una visión mas amplia del funcionamiento y control de dichos procesos.

Una de las ramas de mayor auge a nivel industrial es la electrónica de potencia. Esta una rama emergente en la cual se pueden realizar muchas contribuciones y desarrollos. La electrónica de potencia nos brinda la posibilidad de realizar montajes a nivel industrial con la versatilidad que proporciona la electrónica. Es un deseo del laboratorio de electrónica incursionar en este campo que consideramos tan importante para el desarrollo de la tecnología en el país.

Las guías de electrónica análoga pretenden fomentar la investigación y la creatividad del estudiante al mismo tiempo que brindarle las herramientas para que este se enfrente de la mejor manera a un montaje electrónico. La experiencia del laboratorio nos mostro lo complejo que puede resultar un montaje mal planeado.

La electrónica análoga se interioriza en el laboratorio, es allí donde le surgen, al futuro ingeniero, los problemas a resolver, y es allí donde este debe utilizar su ingenio para darles solución.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

MARTINEZ, GUSTAVO, ADOLFO Modulo de electrónica de potencia. Medellín, Instituto Salesiano Pedro Justo Berrio. 2007.

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