Todo a tus manos
Autor: Pedro Hernรกndez
Octubre, 2014
Introducción: La electrónica de potencia concierne a los circuitos con tiristores, a su diseño y a su función en el control de potencia en un sistema. Existen gran variedad de tiristores, pero todos ellos tienen ciertas propiedades en común: son dispositivos de estado sólido que se “disparan” bajo ciertas condiciones pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja, estado que se mantiene mientras que la corriente y la tensión sean superiores a un valor mínimo denominado niveles de mantenimiento. Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores
Tiristor: Componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.
Funcionamiento básico: El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión).
Símbolo básico de Tiristor: Símbolo
Descripción Tiristor SCR Rectificador controlado de silicio Tiristor Schottky PNPN de 4 capa Tiristor Schottky PNPN de 4 capas
Tiristor de conducción inversa, puerta canal N controlado por ánodo Tiristor de desconexión, puerta canal N controlado por ánodo
Símbolo
Descripción Tiristor SCS Interruptor controlado de silicio Tiristor Schottky PNPN de 4 capas Tiristor de conducción inversa, puerta canal P controlado por cátodo Tiristor de desconexión, puerta canal P controlado por cátodo
Fototiristor
Formas de activar un tiristor: Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor. Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo. Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse. Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo. Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.
Tipos de tiristores
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SCR: Tiristores controlados por fase, funciona a la frecuencia de línea y se apagan por conmutación natural. Control de compuerta corriente para activación sin control de apagado. Funcionamiento básico del SCR: El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su funcionamiento. Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR. Características de control activación con una señal de pulso apagado con conmutación natural Ventajas
Desventajas
Activación sencilla, dispositivo de la Baja velocidad de conmutación, no se ganancia de activación es muy alta. puede apagar control de compuerta. Bajo costo, alto voltaje, alta corriente.
Frecuencia: baja 60 Hz Voltaje: 1.5 kV, 0.1 MVA Corriente: 1kA, 0.1 MVA
BCT: Tiristores bidireccionales controlados por fase. Es un dispositivo único que combina las ventajas de tener dos tiristores en un encapsulado Dos compuertas corrientes para activación sin control de apagado Activación con una señal de pulso. Apagado con conmutación natural. Ventajas
Desventajas
Igual que los SCR controlados por fase, excepto que tienen dos compuertas y la corriente puede pasar en ambas direcciones. Combina dos SCR espalda con espalda en un solo dispositivo.
Similar a los SCR controlados por fase.
Frecuencia: baja 60 Hz Voltaje: 6.5 kV, 1.5 kA, 0.1 MVA Corriente: 3 kA, 1.8 kV, 0.1 MVA
LASCR: Dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energía luminosa que incide sobre una de las junturas PN. Cuando la luz incidente es suficientemente intensa, el LASCR se dispara y permanece en ese estado aunque desaparezca esa luz.
Aplicación: Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR). Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios.
Características: La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/ms y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms. La frecuencia de conmutación es de hasta 2kHz, estos tiristores normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con fibra óptica. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. Ventajas
Desventajas
Parecidas a los SCR controlados por Parecidos a los SCR controlados por fase, excepto que la compuerta está fase. aislada y se puede operar a control remoto.
TRIAC: Dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Puede conducir en ambas direcciones y se usa para control por fase.
Aplicaciones : Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como interruptor electrónico y también a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna. Control de fase: Activación aplicando un pulso de señal a la compuerta para flujo de corriente en ambas direcciones. En la figura "control de fase" se presenta una aplicación fundamental del triac. En esta condición, se encuentra controlando la potencia de ac a la carga mediante la conmutación de encendido y apagado durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de entrada. La acción de este circuito durante la parte positiva de la señal de entrada, es muy similar a la encontrada para el diodo Shockley. La ventaja de esta configuración es que durante la parte negativa de la señal de entrada, se obtendrá el mismo tipo de respuesta dado que tanto el diac como el triac pueden dispararse en la dirección inversa. La forma de onda resultante para la corriente a través de la carga se proporciona en la figura "control de fase". Al variar la resistencia R, es posible controlar el ángulo de conducción. Existen unidades disponibles actualmente que pueden manejar cargas de más de 10kW. Ventajas
Desventajas
Igual que los SCR (fase) excepto que la corriente puede pasar en ambas direcciones, tiene una compuerta para activar en ambas direcciones.
Parecidos a los SCR (fase), excepto para aplicaciones de baja potencia.