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El rectificador controlado de silicio SCR: (Silicon Controlled Rectifier ) es un tipode tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructuraPNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) yTransistor.

Corriente directa Corriente alterna

El SCR y la corriente continua:

Tomar en cuenta el gráfico siguiente: ver que es un circuito de corriente continua

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa sucompuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así esteconduce y se comporta como un diodo en polarización directa

Si no existe corriente en la compuerta el tiristor no conduce.

Símbolo y terminales del SCR

http://www.unicrom.com/Tut_corriente_electrica.asp

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Thyristor.png

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Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantieneasí. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0Voltios.

Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hastaque por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de

mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir

aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra no sea cero.

Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada

El SCR y la corriente Alterna

Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. (en elcaso de la figura es un bombillo o foco)

La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 120V c.a., 240V c.a. , etc.

El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada yla tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta delSCR. Puede verse que el voltaje en el condensador (en azul) está atrasado conrespecto al voltaje de alimentación (en rojo) causando que el tiristor conduzca unpoco después de que el tiristor tenga la alimentación necesaria para conducir.

Durante el ciclo negativo el tiristor se abre dejando de conducir. Si se modifica elvalor de la resistencia, por ejemplo si utilizamos un potenciómetro, se modifica eldesfase que hay entre las dos tensiones antes mencionadas ocasionando que el SCRse active en diferentes momentos antes de que se desactive por le ciclo negativo de

la señal. y deje de conducir.

El funcionamiento de este circuito es el siguiente: La conducción se va a

producir entre el ánodo y el cátodo, después de darle un impulso detensión positivo en la puerta G. Para que el tiristor entre en conducción,tienen que cumplirse dos condiciones: - Que este polarizadodirectamente (tensión ánodo-cátodo positiva, es decir , más tensión enel ánodo que en el cátodo).- Aplicar un impulso de tensión positivo o unacorriente entrante en la puerta.

El acoplo entre los dos transistores que integran el tiristor produce unarealimentación positiva, puesto que la corriente de salida de cada uno es

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la de entrada del otro, y si ambos semiconductores disponen de unaganancia de corriente superior a la unidad, rápidamente cada transistorllevará al otro a la saturación, produciéndose una corriente máxima cuyovalor no estará controlado por el tiristor, sino por la carga exterior quealimenta. El cebado del tiristor o la saturación de los transistores que loforman se consigue cuando se vence la polarización inversa de la unión

N-P interna, para lo cual es preciso aplicar un impulso adecuado, y eneste caso positivo, a la zona P desde el exterior y a través de la puerta.

Cuando el impulso positivo aplicado a la puerta del tiristor satura los dostransistores que contiene, este semiconductor se comportaprácticamente como un interruptor cerrado, absorbiendo únicamenteentre su cátodo y su ánodo una pequeña tensión, que oscila alrededorde 1 V, la cual mantiene en saturación a los transistores.

Misión de la puerta:

La misión de la puerta es polarizar y adelantar el momento de disparo,es decir de la puesta en conducción, pero después de esto ya no tieneninguna función excepto en unos tiristores especiales llamados GTO queson disparables y bloqueables por puerta. Es importante destacar lascaracterísticas que deben tener

los impulsos de encendido aplicados al tiristor. Los fabricantessuministran para ello unas curvas denominadas características depuerta. La del tiristor se asemeja a la de un diodo semiconductor al quese le han permutado los ejes, siendo lógica esta analogía, puesto que launión puerta-cátodo es una unión P-N.

Debido a que no todos los tiristores, aún siendo del mismo tipo tienen lamisma característica de puerta, es habitual que el fabricante incluya unafamilia de curvas o límites de las mismas en las especificacionestécnicas de los tiristores, de manera que el usuario pueda hacerlosoperar en el margen de disparo o encendido adecuado. En la siguientegráfica se representa los límites de curvas posibles fijados entre A y B. Eldisparo se debe efectuar dentro de la zona acotada por dichas curvaspero considerando los valores de :

-Tensión y corriente mínima, para producir el encendido de todos los

elementos de la familia.

-Tensión directa máxima admisible de los impulsos de encendido.

-Potencia máxima que puede disipar la unión de puerta.

Todas esta limitaciones están incluidas en los límites y zonasrepresentadas en al gráfica:

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-La zona S es la zona de encendido probable para cualquier tiristor de lafamilia, pero no es seguro.

-La zona S es la zona de encendido seguro, garantiza el encendido decualquier tiristor de la familia.

Métodos de poner en conducción el tiristor:

Hay varios modos de poner el tiristor en conducción:

- Sin intensidad de puerta, cuando la tensión ánodo-cátodo es mayorque la tensión de bloqueo. Vak > Vbo , Ig = 0

- Cuando la tensión ánodo-cátodo supera el gradiente de tensión Vak >

- Cuando la tensión ánodo-cátodo es menor que la tensión de bloqueo, yaplicamos una intensidad en la puerta. Vak < Vbo , Ig > 0

- Cuando el tiristor es un fototiristor, por la luz.

Métodos de bloquear el tiristor:

También hay varios modos de bloquear el tiristor:

- Cuando la tensión ánodo-cátodo cambia de polaridad, es decir Vak sepolariza inversamente.

- Cuando se abre el circuito. Vak = 0

- Cuando la intensidad disminuye por debajo de un valor determinado.Vak < Tensión de mantenimiento.

- Aplicando una tensión inversa durante un corto período de tiempo Vak< 0

CARACTERÍSTICAS GENERALES.CARACTERÍSTICAS GENERALES.

• Interruptor casi ideal.• Soporta tensiones altas.

• Amplificador eficaz.• Es capaz de controlar grandes potencias.• Fácil controlabilidad.• Relativa rapidez.• Características en función de situaciones pasadas (memoria).

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

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Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son losvalores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades:- Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: VVRWMRWM

- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VVDRMDRM

- Tensión directa ...........................................................................: VVTT

- Corriente directa media ...............................................................:: IITAVTAV

- Corriente directa eficaz ................................................................:...............................................: IITRMSTRMS- Corriente directa de fugas ............................................................: IIDRMDRM

- Corriente inversa de fugas ............................................................: IIRRMRRM

- Corriente de mantenimiento ..........................................................: IIHH

Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:- Temperatura de la unión ................................................................: T j

- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg

- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: R c-d

- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: R j-c- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: R j-a- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Z j-c

CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.

Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito demando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen lassiguientes características: -Tensión directa máx. ....................................................................: VVGFMGFM

- Tensión inversa máx. ...................................................................: VVGRMGRM

- Corriente máxima..........................................................................: IIGMGM

- Potencia máxima ..........................................................................: PPGMGM

- Potencia media .............................................................................:.: PPGAVGAV

- Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: VVGTGT

- Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: VVGNTGNT

- Corriente de puerta para el encendido ...........................................: IIGTGT

- Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: IIGNTGNT

Entre los anteriores destacan:

- VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.- VGNT e IGNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales encondiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse demodo indeseado.

Área de disparo seguro.

En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Lastensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zonaformada por las curvas:

• Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función dela corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.

• Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.

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• Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemossobrepasar.

Figura Curva características de puerta del tiristor.

El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:

• Una caída de tensión en sentido directo más elevada.• Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

Características dinámicas.

• Tensiones transitorias:

- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.- Son breves y de gran amplitud.

- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.• Impulsos de corriente:

- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puedetolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.

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Figura 4. Curva de limitación de impulsos de corriente.

• Ángulos de conducción:- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.

- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo deconducción (Figura 5):

ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo

- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos deconducción podremos calcular las protecciones necesarias.

Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.

Características de conmutación. Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte

a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho.

Tiempo de encendido (Ton):

Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos

partes (Figura 6):

• Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el

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50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo.Depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (t d

disminuye si estas magnitudes aumentan).

• Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de

su valor inicial.

Ton = td + tr

Figura 6. Tiempo de encendido.

Tiempo de apagado(Toff

):

Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos partes (Figura 7):

• Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en laconducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.

• Tiempo de recuperación de puerta (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo,las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puertarecupere su capacidad de gobierno.

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Toff = trr + tgr

Figura 7. Tiempo deapagado.

La extinción del tiristor se producirá por dos motivos: reducción de la corriente de

ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente deánodo.

CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.

Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad deenergía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Esteaumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez

provoca un aumento de la temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor quedebe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.

MÉTODOS DE DISPARO.MÉTODOS DE DISPARO.

Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debeestar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientementelarga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor queIL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vezdisparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima devalor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:

- Por puerta.

- Por módulo de tensión.

- Por gradiente de tensión (dV/dt)

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- Disparo por radiación.

- Disparo por temperatura.

El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y

gradiente de tensión son modos no deseados. DISPARO POR PUERTA.Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor.

Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo deintensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez quemantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.

Figura 8. Circuito de control por puerta de un SCR.- El valor requerido de VT necesario para disparar el SCR es:

VT = VG + IG × R - R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia para obtener la máxima seguridad en el disparo (Figura 9).

R = VFG / IFG

Figura 9. Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia. DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.

Es el debido al mecanismo de multiplicación por avalancha. Esta forma de disparono se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de formafortuita provocada por sobre tensiones anormales en los equipos electrónicos.

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DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN.

Una subida brusca del potencial de ánodo en el sentido directo de conducción provoca el disparo. Este caso más que un método, se considera un inconveniente.

Figura 10. Zona de disparo por gradiente de tensión.

DISPARO POR RADIACIÓN.

Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz delelemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.

DISPARO POR TEMPERATURA.

El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - huecogenerados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (α 1+ α 2) tiende rápidamente ala unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta uncierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.

CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.

Para el control en el disparo:- Ánodo positivo respecto al cátodo.- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.- En el momento del disparo Iak > IL.

Para el control en el corte:- Anulamos la tensión Vak .- Incrementamos R L hasta que Iak < IH.

LIMITACIONES DEL TIRISTOR.

LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO.- La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.- El límite es atribuible a la duración del proceso de apertura y cierre del dispositivo.- La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.

LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIÓN dV/dt."dV/dt" es el valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo del cual no se

producen picos transitorios de tensión de corta duración, gran amplitud y elevada velocidadde crecimiento.

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a) Causas:- La alimentación principal produce transitorios difíciles de prever en aparición, duración(inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.- Los contactores entre la alimentación de tensión y el equipo: cuya apertura y cierre pueden producir transitorios de elevada relación dV/dt (hasta 1.000 V/µs) produciendo el

basculamiento del dispositivo.- La conmutación de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de tensión.b) Efectos:- Puede provocar el cebado del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.- La dV/dt admisible varia con la temperatura.

LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD dI/dt.

"dI/dt" es el valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual nose producen puntos calientes.

a) Causas:- Durante el cebado, la zona de conducción se reduce a una parte del cátodo cerca de la puerta, si el circuito exterior impone un crecimiento rápido de la intensidad, en esta zona ladensidad de corriente puede alcanzar un gran valor.- Como el cristal no es homogéneo, existen zonas donde la densidad de Intensidad es mayor (puntos calientes).b) Efectos:- En la conmutación de bloqueo a conducción la potencia instantánea puede alcanzar valores muy altos.- La energía disipada producirá un calentamiento que, de alcanzar el límite térmico crítico, podría destruir el dispositivo.

PROTECCIONES CONTRA dV/dt Y dI/dt.

Solución: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie. Calculo:método de la constante de tiempo y método de la resonancia.

Figura 11. Circuito de protección contra dV/dt y dI/dt. Método de la constante de tiempo.• Cálculo de R y C:1. Se calcula el valor mínimo de la constante de tiempo ζ de la dV/dtdel dispositivo y el valor de R y C:

ζ = ( 0,63 × VDRM ) / ( dV/dt )mín C = ζ / R L

R s = VA(máx) / ( ITSM - IL ) × Γdonde:

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VDRM = tensión de pico repetitiva de bloqueo directo.IL = corriente en la carga.R L = resistencia de carga.ITSM = corriente directa de pico no repetitiva.VA(máx) = tensión de ánodo máxima.Γ = coeficiente de seguridad (de 0,4 a 0,1).

2. Hallamos el valor de Rmín que asegura la no superación de la dI/dtmáxima especificada (a partir de la ecuación de descarga de C):

R mín = ( VA(máx) / ( dI /dt ) × C )½

• Cálculo de L:L = VA(máx) / ( dI / dt)

Método de la resonancia.

- Elegimos R, L y C para entrar en resonancia.

El valor de la frecuencia es:

f = (dV / dt ) / 2π VA (máx)

En resonancia:

f = 1 / 2π (LC)½ ⇒ C = 1 / ( 2π f )

2L

El valor de L es el que más nos interese, normalmente: L= 50 µH.

El valor de R será: R s = (L / C)½

LIMITACIONES DE LA TEMPERATURA.

En los semiconductores de potencia, se producen pérdidas durante elfuncionamiento que se traducen en un calentamiento del dispositivo.

Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son

repetitivos, la potencia media disipada en un tiristor será:

La potencia disipada en los tiristores durante la conducción, es mucho

mayor que la disipada durante el bloqueo y que la potencia disipada enla unión puerta - cátodo. Podemos decir que las pérdidas con unatensión de alimentación dada y una carga fija, aumentan con el ángulode conducción (α).

Si la conducción se inicia en t1 y termina en t2, la potencia media deperdidas será:

Si representamos la VAK en función de la IA, tendremos la siguienterelación:

VAK = V0 + IA × R

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V0 y R son valores aproximadamente constantes para una determinadafamilia de tiristores y para una determinada temperatura de la unión. Enéste caso nos encontraremos dentro de la zona directa de la curvacaracterística (Figura 12).

Figura 12.Operando con las ecuaciones anteriores:

PAV = V0 × IA(AV) + R × ( IA(RMS))2

Esta ecuación se encuentra representada mediante curvas para

distintas formas de onda (sinusoidal, rectangular,...) y para distintosángulos de conducción en la figura siguiente.

La potencia que se disipa, depende del valor medio de la corriente ydel valor eficaz, entonces dependerá del factor de forma:

a = f = IA(RMS) / IA(AV)

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Figura 13.

Una vez elegido el tiristor y teniendo en cuenta los parámetros más importantescomo son la potencia total disipada y temperatura, y calculada también la potencia mediaque disipa el elemento en el caso más desfavorable, procederemos a calcular el disipador oradiador más apropiado para poder evacuar el calor generado por el elementosemiconductor al medio ambiente.

EXTINCIÓN DEL TIRISTOR. TIPOS DE CONMUTACIÓN.

Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducción a pasar a corte. En el momento en que un tiristor empieza aconducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.

El tiristor debe presentar en el tiempo ciertas condiciones para pasar de nuevo acorte. Este estado implica simultáneamente dos cosas:

1. La corriente que circula por el dispositivo debe quedar completamente bloqueada.2. La aplicación de una tensión positiva entre ánodo y cátodo no debe provocar un disparoindeseado del tiristor.

Existen diversas formas de conmutar un tiristor, sin embargo podemos agruparlosen dos grandes grupos:

CONMUTACIÓN NATURAL.

a) Libre.b) Asistida.

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CONMUTACIÓN FORZADA.

a) Por contacto mecánico.b) Por circuito resonante.

-Serie

-Paraleloc) Por carga de condensador.d) Por tiristor auxiliar.

APLICACIONES DEL SCR. Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes

alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadasconmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores oinversores que transforman la corriente continua en alterna.

La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza comorectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. Deesta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento deldisparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión ocorriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar laalternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensióninversa.

Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entreellas están las siguientes:

· Controles de relevador.

· Circuitos de retardo de tiempo.

· Fuentes de alimentación reguladas.

· Interruptores estáticos.

· Controles de motores.

· Recortadores.

· Inversores.

· Ciclo conversores.

· Cargadores de baterías.

· Circuitos de protección.

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· Controles de calefacción.

· Controles de fase.

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