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Diodo (Shockley) De Cuatro Capas.

El diodo Schokley, también llamado diodo de cuatro capas o diodo tiristor, es un dispositivo bipolar PNPN comparable en todos los aspectos con un tiristor del que solo se dispusiera de los terminales de cátodo y ánodo.

En efecto, cuando se aplica entre cátodo y ánodo una tensión creciente, pero inferior a un cierto valor de umbral, VS, su resistencia es elevada y solo pasa una corriente de unos pocos microamperes. Este es su primer estado estable, el de bloqueo.

Al alcanzar la tensión el valor VS abordamos la segunda zona, en el cual el diodo presenta una resistencia negativa. Este estado es inestable. La resistencia del diodo cae entonces rápidamente y, a partir del punto IH, no vale más de unos pocos ohm; el diodo es ahora plenamente conductor y permanece así mientras subsista una corriente igual o superior a la de mantenimiento, IH. Ésta es la tercera zona, en la cual es estable de nuevo el elemento; la caída de tensión, en esa zona de trabajo, es del orden de 1 volt para el germanio, y de 1,3 a 1,7 V para el silicio.

El bloqueo se efectúa reduciendo la corriente por debajo de su valor de mantenimiento, IH, o disminuyendo la tensión por debajo de VH.

Las tensiones de umbral Vs suelen ser del orden de 20 a 100V mientras que IH se sitúa entre 1 y 50 mA.

SCR (Rectificador Controlado De Silicio).

El SCR: (Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

El SCR y la corriente continua.

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

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

Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que 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 baja

2. 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 el caso de la figura es un bombillo o foco).

El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. Puede verse que el voltaje en el condensador (en azul) está atrasado con respecto al voltaje de alimentación (en rojo) causando que el tiristor conduzca un poco 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 el valor de la resistencia, por ejemplo si utilizamos un potenciómetro, se modifica el desfase que hay entre las dos tensiones antes mencionadas ocasionando que el SCR se active en diferentes momentos antes de que se desactive por el ciclo negativo de la señal y deje de conducir.

Para que el tiristor entre en conducción, tienen que cumplirse dos condiciones: que este polarizado directamente (tensión ánodo-cátodo positiva, es decir, más tensión en el ánodo que en el cátodo), y aplicar un impulso de tensión positivo o una corriente entrante en la puerta.

SCR Con Compuerta Amplificadora.

Esta clase de tiristores suele funcionar a la frecuencia de línea, y se apagan por conmutación natural. Un tiristor inicia la conducción en sentido directo, cuando se aplica un pulso de disparo de corriente de la compuerta al cátodo, y se llega y se mantiene con rapidez a la conducción total, con una caída pequeña de voltaje en sentido directo. No puede hacer que su corriente regrese a cero mediante una señal en su compuerta; en lugar de ello, se basa en el comportamiento natural del circuito para que la corriente llegue a cero. El tiempo de apagado Tq es del orden de 50 a 100 µs. Es más adecuado para aplicaciones con conmutación de baja velocidad, y también se llama tiristor convertidor. Es básicamente un

dispositivo controlado hecho de silicio, también se le llama rectificador controlado de silicio (SCR).

El voltaje VT en estado de encendido varía, desde unos 1.15V para 600V hasta 2.5V para dispositivos de 4000V, y para un tiristor de 1200V, 5500A, ese voltaje suele ser 1.25V. Es un dispositivo de tres terminales usado para controlar

corrientes más bien altas para una carga.

SCR activado por luz (LASCR).

Los fototiristores son como los fototransistores o FET muy similares a sus correspondientes convencionales, excepto en la adición de una ventana o lente para enfocar la luz en un área apropiada. Tienen tres terminales, y por tanto, el umbral del disparo óptico puede controlarse electrónicamente. La ventaja principal del fototiristor es que es un excelente conmutador, con una capacidad de gobernar

potencias muy superiores a otros fotodetectores. Con refrigeración apropiada, algunos fototiristores pueden trabajar a unos cientos de voltios con un ampere.

Con polarización apropiada los fotones entrantes crean pares electrón-hueco en la vecindad de la segunda unión y estos portadores libres son atraídos a través de las uniones produciendo una corriente ánodo-cátodo. A un cierto nivel de

radiación, la ganancia neta de corriente del dispositivo excede a la unidad y la corriente ánodo-cátodo sólo viene limitada por la impedancia exterior. En este punto, el SCR ha cambiado de ser un conmutador prácticamente abierto a uno casi en cortocircuito.

La salida de un foto-SCR no es proporcional a la radiación incidente como en el caso de los fotodetectores anteriores. El foto-SCR está CORTADO (baja corriente de ánodo) antes que una irradiación adecuada lo dispare y CONDUCE en cuanto se supera el umbral óptico. La corriente de ánodo no varía prácticamente con el nivel de luz. Como los fototiristores se aproximan a los conmutadores, sus

aplicaciones principales son para sistemas ópticos lógicos, tales como contadores clasificadores y funcionamiento como relés.

La mayoría de las aplicaciones de los foto-SCR requieren una resistencia

externa entre la puerta y el cátodo que puentea efectivamente parte de la corriente en la porción npn del dispositivo. De aquí que la resistencia puerta-cátodo (RGK) determine la sensibilidad a la luz y a su vez influye en los efectos de temperatura, respuesta en frecuencia y dv/dt. Aumentando R GK aumenta la sensibilidad a la luz ya la temperatura, pero disminuye la respuesta en el tiempo. Como puede esperarse, el nivel de disparo de un foto-SCR depende de la temperatura de la unión, de la tensión aplicada, etc.

Antes que se alcance el umbral óptico, el SCR está CORTADO y solo huye una pequeña corriente de pérdida (unos µA) de ánodo a cátodo, por tanto, la carga no tiene conexión a masa. Cuando la irradiancia alcanza el valor de disparo

eliminar la luz, debe emplearse un método de conmutación. C1 es necesario para evitar que el SCR conduzca con un falso disparo si la alimentación se aplica muy rápidamente.

Conmutador con control de puerta (CGS).

La señal de puerta conmuta CGS lento en corte como en conducción se aplica en conmutadores de cc inversores, troceadores, circuitos lógicos.

Conmutador unilateral de silicio (SUS).

Destinado esencialmente al disparo de tiristores, el conmutador unilateral de silicio (“silicon unilateral switch” = SUS) está constituido por un tiristor miniatura, con puerta de ánodo, al que asocia, entre puerta y cátodo, un diodo de avalancha de baja tensión.

Algunas de las características típicas de este elemento, tomadas de un D 13 D 1 de General Electric, son las siguientes:

 Tensión de disparo Vs = 6 a 10 V.

 Corriente en el momento de disparo IS = 0,5 mA máx.

 Tensión de mantenimiento VH =aproximadamente 0,7 V a 25° C.

 Corriente de mantenimiento IH = 1,5 mA máx.

 Caída de tensión directa (para IF = 200 mA ) = 1,75 V.

 Tensión inversa VR = 30 V.

 Pico de los impulsos Vo = 3,5 V mín.

El SUS se dispara a una tensión fija, determinada por su diodo de avalancha, y su corriente IS resulta mayor, y muy cercana a IH. Estos datos limitan la frecuencia

(tanto alta como baja) de trabajo de elemento.

La sincronización se asegura mediante los impulsos aplicados a la puerta del SUS.

Conmutador controlado de silicio (SCS).

Su estructura es como la de un tiristor pero tiene además de la terminal puerta conectada a P2, otra terminal puerta conectada a N1. El funcionamiento es similar al del tiristor convencional con la salvedad de que también puede dispararse

mediante un circuito conectado entre A y PA que produzca un impulso de

intensidad saliente por este terminal. Puede asimismo bloquearse con un impulso entrante en PA.

La sensibilidad de disparo es mucho mayor en la puerta de cátodo que en la de ánodo, pues mientras aquella dispara con intensidades del orden de 2 µA, ésta necesita 2mA. El disparo por puerta de ánodo es un fenómeno simétrico al

explicado para disparo por puerta de cátodo, en el que los papeles de electrones y huecos se han intercambiado.

El bloqueo por impulso positivo en PA se basa en la polarización inversa a que queda sometida la unión P1N1, que deja automáticamente conducir. El tiempo de apagado es de 1 a 10 µs, mucho menor que el de un tiristor rápido, que necesita de 5 a 30 µs. También es posible el bloqueo mediante un impulso negativo entre PC y C, pero se necesita una resistencia exterior que limite la corriente de ánodo a un calor adecuado.

La intensidad de ánodo máxima de estos semiconductores no suele pasar de 1 A. Se emplean en contactores de anillo, multivibradores y generadores de impulsos.

DIAC.

El DIAC es un elemento simétrico que no posee, por tanto, polaridad. Su nombre proviene de la contracción de “Diode Alternative Current”. Su estructura es muy simple ya que se obtiene por doble difusión de impurezas de tipo opuesto al del sustrato.

La tensión de disparo se suele escoger cercana a los 30 V. Es difícil obtener tensiones sensiblemente más bajas con una resistencia negativa suficiente, mientras que el empleo de valores más elevados reduciría las posibilidades de control.

Los diacs son muy utilizados para realizar variadores de potencia muy simples. Permiten obtener, con condensadores de poco volumen (por ejemplo, 0,1 µF y 35 V) corrientes de disparo de valor elevado.

TRIAC.

Es un elemento semiconductor de tres electrodos, uno de los cuales es de mando (la puerta) y los otros dos son los tres principales de conducción. El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un régimen conductor, en los dos sentidos de polarización (cuadrantes I y II) y volver al estado de bloqueo de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento, IH.

El triac es, pues, la versión bidireccional del tiristor; en su representación eléctrica se le puede comparar a la asociación en antiparalelo de los tiristores, presentando no obstante dos ventajas fundamentales sobre ese montaje en el que solo se podría gobernar las puertas mediante un transformador de impulsos; el circuito de mando resulta más sencillo al no existir más que un electrodo de

disparo; el dispositivo puede bascular al estado conductor independientemente de las polaridades de puerta de ánodo (el disparo se efectúa en los 4 cuadrantes).

Conmutador bilateral de silicio (SBS).

El conmutador bilateral de silicio (“silicon bilateral switch” = SBS), derivado del SUS, se compone de SUS idénticos en antiparalelo.

Funciona pues en los dos sentidos, como su nombre indica, y se aplica sobre todo al control de triacs. En ese caso, el montaje de principio tiene como única diferencia la tensión de c.c. de ataque que habrá de sustituirse por una tensión alterna.

Las especificaciones del SBS son idénticas a las del SUS; no obstante, la noción de tensión inversa VR pierde todo significado.

9. EXPLICAR LA OPERACIÓN DEL GTO Y DEL IGBT Y CIRCUITOS DE