Dispositivos electrónicos de potencia

SCR = Silicon Controled Rectifier (Rectificador controlado de silicio)

El SCR es un dispositivo semiconductor del tipo Tiristor, este esta compuesto por tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y compuerta (G).

El SCR es utilizado para el control de potencia eléctrica, de conducción unidireccional (en una sola dirección). Al igual que un diodo rectificador puede conducir una corriente de Ánodo a Cátodo en polarización directa y se comporta virtualmente (no puede verse a simple vista) como un circuito abierto en polarización inversa debido a la alta resistencia que presenta en esta. Básicamente actúa de forma muy similar a un interruptor.

Aplicaciones del SCR

El SCR al ser un tiristor puede hacer conmutaciones (cambios). La principal ventaja que presentan estos frente a los diodos es cuando se utilizan como rectificadores, ya que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta (Gate), de esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al hacer la conmutación de positivo a negativo ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes:

Circuitos de retardo de tiempo. Fuentes de alimentación reguladas. Interruptores estáticos. Controles de motores. Inversores. Cargadores de baterías. Controles de calefacción.

Características del fabricante

Los SCR son fabricados dependiendo de cuanta potencia uno desee ya sea en las aplicaciones que uno quiera que realice, frente a esto tenemos los encapsulados. Como todos los semiconductores su apariencia externa es la que nos indica la potencia que es capaz de disipar. En el caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricación es amplio, aquí aparecen los más importantes.

Dentro de esto también encontramos los parámetros eléctricos de los SCR en cada uno de sus pines y su sensibilidad así como los volts y los amperios que pueden llegar a soportar su encapsulado.

VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0) VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0) IF: Máxima corriente directa permitida. PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo. VGTIGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado. di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.

Triac = Triode for Alternating Current (Triodo para Corriente Alterna)

Al igual que el SCR, el Triac es un semiconductor de la familia de los tiristores, tiene los mismos 3 terminales, la diferencia de este dispositivo con el otro es que tiene la particularidad capacidad de dirigir la corriente en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente debajo del valor de mantenimiento, el Triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta (Gate), es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

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 osea mas (-) 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.

Aplicación del Triac

En este ámbito los TRIACs de baja potencia se utilizan en muchas aplicaciones, No obstante, cuando se utilizan con cargas inductivas (mediante bobinas) como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apague correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.

Algunas aplicaciones mas conocidas son:

Atenuadores de luz Controles de velocidad para motores eléctricos También como un interruptor estático

Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.

Datos del fabricante (Parámetros Eléctricos del Triac):

Al igual que en el tiristor anterior, los fabricantes nos entregan algunos parámetros que se deben saber y respetar antes de usar uno de estos dispositivos.

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 ( velocidadcritica 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/m 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.

Aquí esta el ejemplo de los valores máximos de un triac (2N6071A,B – MOTOROLA)

El encapsulado de tiristores y triacs varía mucho según se trate de productos de pequeña, mediana o gran potencia con lo cual podemos distinguir: Las cápsulas con hilos terminales: las más conocidas son las TO5 y TO18, con una versión “plástica”, la TO92 Y el TO220. Las cápsulas atornillables: se usan mucho en los diodos desde algunos ampéres hasta centenas de amperes. Su empleo es mas general en tiristores y triac pero aun dominan la gama situada por encima de 15 a 20 A.

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Puerta Aislada)

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta (Gate) de los transistores de efecto campo (FET) con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Aplicaciones del IGBT:

Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de potencia para aplicaciones de media y alta tensión, no sólo por su capacidad de potencia sino también porque son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan son imperceptibles por el oído humano. Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar los píxeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de iluminación de edificios o centrales de conmutación telefónica.

Estos dispositivos semiconductores de potencia se utilizan en convertidores CC/CA, en maquinaria, robots industriales, compresores de equipos de aire acondicionado, equipos de fabricación de semiconductores, unidades de control de motores en automóviles y vehículos eléctricos híbridos, equipos de soldadura. Resumiendo un poco, tenemos estas aplicaciones y otras más:

Control de motores Sistemas de alimentación ininterrumpida Sistemas de soldadura Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia

Características del Fabricante

Entre las características del fabricante tenemos algunas características básicas sobre las tensiones en su valor máximo.

Sobre su encapsulado no es mucho el cambio, solo se diferencia en los módulos de potencia.

Aunque ahí que tener en cuenta que en ocasiones incorpora internamente un diodo.

GTO = Gate Turn-Off Thyristor (Tiristor Desactivado por Compuerta)

El GTO es un tiristor con una capacidad externa de bloqueo. La puerta (Gate) permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. En simples palabras con un pulso entrante en la compuerta Gate se puede activar y con un pulso saliente en su compuerta se apaga, el cual es una mejora comparándolo con el SCR.

Simbología del GTO y su estructura interna:

Aplicación del GTO:

El GTO es muy útil en contadores, circuitos digitales y otras aplicaciones en las cuales un disparo negativo este disponible para bloquearlo ya que cada disparo positivo cierra el GTO y cada disparo lo abre nuevamente.

Aquí algunas aplicaciones principales que se usan en la industria:

Control de motores asíncronos Inversores Rectificadores Soldadura al arco Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) Control de motores Tracción eléctrica

Características del Fabricante:

La mayoría de las especificaciones y características de un GTO son las mismas que las de un tiristor, excepto en lo siguiente:

El GTO tiene un alto rango de tensión de bloqueo directo, comparable al que se puede conseguir en un tiristor, pero su rango de tensión inversa es baja, entre 10 y 20V, y en este aspecto es similar al transistor. El GTO también tiene una mayor caída de tensión y una mayor corriente de enclavamiento que el tiristor. Este último parámetro significa que la conexión de puerta tiene que mantenerse durante un período mayor, para asegurar que se haya alcanzado la corriente de enclavamiento.

MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Mosfet es un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS (Metal Oxide Semiconductor). Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. La mayoría de los circuitos integrados de uso comercial en su totalidad están basados en transistores MOSFET.

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, se crean dos partes de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor.

Algo importante que uno debe saber es que los MOSFET se dividen en dos tipos dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:

Tenemos del tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.

Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. Las áreas de difusión se denominan fuente y drenador, y el conductor entre ellos es la puerta.

También nos encontramos con tres estados de funcionamiento:

Estado de corte = Cuando la tensión de la puerta (Gate) es idéntica a la del sustrato.

Estado de NO conducción = ninguna corriente fluye entre la fuente y drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entre ambos

Conducción lineal Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una barrera de protección en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en nMOS, huecos en pMOS) en la barrera que darán lugar a un canal de conducción.

Aplicaciones de un MOSFET

Como se nombraba anteriormente el MOSFET se utiliza mucho en la industria microelectrónica, dentro de sus aplicaciones se pueden ver tales como:

Resistencia controlada por tensión Interruptor Carga activa

Características del Fabricante

Sobre la información que nos entrega el fabricante tenemos las especificaciones máximas que llega a soportar este dispositivo, por ejemplo tenemos el 2N4416, un transistor MOSFET, de canal n, los cuales son diseñados para proporcionar la amplificación de alto rendimiento a alta frecuencia.

Principales Características

Número de Parte: 2N4416 Tipo de FET: JFET Polaridad de transistor: N

Especificaciones máximas

Disipación total del dispositivo (Pd): 0.3 Tensión drenaje-fuente (Uds): 30 Corriente continua de drenaje (Id): 0.03 Temperatura operativa máxima (Tj), °C: 150

Sobre su encapsulado tenemos algo similar a los dispositivos anteriores, como se nombro anteriormente, dependiendo de cuanto soporte este dispositivo nos encontraremos con encapsulados mas robustos.