Manual de Apuntes Electrónica de Potencia Aplicada by saulorzua

Instituto Tecnol´ ogico de Saltillo Ing. El´ ectrica-Electr´ onica Curso: Electr´ onica de Potencia Aplicada Titular: M. en C. Sa´ ul Orz´ ua Gonz´ alez Manual de Apuntes de Electr´ onica de Potencia Aplicada

Sa´ ul Orz´ ua Gonz´ alez e-mail: sorzua@hotmail.com Enero de 2015, V2.1 1

Semiconductores de potencia

Primero que nada, vamos a definir que es un semiconductor de electricidad. Su nombre indica que es un elemento que conduce parcialmente la electricidad. Por tanto, se puede pensar que un semicuductor es un material ”semibueno” conduciendo la electricidad; conduce menos electricidad que un conductor, pero más electricidad que un aislador. Como las resistencias, los semiconductores conducen electricidad, pero no facilmente. Al igual que las resistencias entre mas corriente hagamos pasar por ellos mas se calentarán. Algunos de los materiales semiconductores mas comunes son el silicio, el germanio y el carbono. Aunque el silicio es el más utilizado por la industria electrónica para la construcción de dispositivos electrónicos. Existen los semiconductores extr´ınsecos o dopaados, los cuales tienen un proceso de dopaje que involucra a˜ nadir átomos de impureza, es decir a´tomos de mayor o menor n´ umero de electrones de valencia que los de un semiconductor intr´ınseco (cuando no tiene impuresas como el silicio puro). Los materiales semiconductores como el silicio o el germanio, por lo general son dopados, con atomos trivalentes o pentavalentes para incrementar su conductividad. Existen dos tipos de semiconductores los tipo ”p” y los tipo ”n”. Los semiconductores tipo n, tienen impuresas de antimonio (Sb), arsénico (As)o fosforo(P) Fig. 1 a). Los semiconductores tipo p tienen impuresas de alumninio (Al), boro (B) o galio (Ga) Fig. 1 b).

(a) Material tipo n.

(b) Material tipo p.

Figura 1: Estructura at´omica de los materiales tipo n y p.

1.1.

Diodos de potencia

Un dispositivo semiconductor muy popular, llamado diodo, se obtiene de la union de dos materiales semiconductores, uno tipo p y otro tipo n como se muestra en la Fig. 2. La intersección de las regiones dopadas forman la denominado union P-N. En Fig. 3 se muestra la estructura interna del encapsulado del diodo en el cual se muestran sus terminales ánodo y cátodo as´ı como las obleas semiconductoras. Unión entre los materiales

(a) Construcci´on de un diodo con sus regiones P y N.

(b) Simbolo esquematico del diodo.

Figura 2: La uni´on P-N y el s´ımbolo de un diodo. 2

Figura 3: Estructura interna del diodo. Los diodos como ya se ha mencionado son dispositivos electrÂ´onicos que se encuentran en diferentes tipos de encapsulado. En la Fig. 4 se muestran los diferentes tipos de diodos comerciales que existen en la industria de la electrÂ´onica. Existen ya en la industria diferentes arreglos comerciales (agrupacionde diodos semiconductores) como lo son los puentes y anillos de diodos Fig. 5.

Figura 4: Diferentes tipos de diodos encapsulados.

Figura 5: Agrupaci´on de diodos semiconductores. 1.1.1.

Caracter´ısticas y Par´ ametros

El diodo presenta diferentes comportamientos de voltaje aplicado contra la corriente a través de el, bajo dos condiciones que son: la polarización directa y polarización inversa. Polarizaci´ on directa del diodo: La polarización directa de un diodo permite con facilidad el flujo de la corriente a través de el mismo, en la Fig. 6 se muestra en una representación la polarización directa del diodo. En la figura Fig. 7 se muestra la curva caracteristica de voltaje contra corriente de un diodo cuado se encuentra polarizado directamente. Note que el orden de los ejes para la corriente es mili Ampere y para el voltaje está en el orden de los Volts, el valor de VD para un diodo de silicio normalmente es de 0.7V.

Figura 6: Polarizaci´on directa de un diodo.

Figura 7: Curva caracter´ıstica de la polarizaci´on directa de un diodo. 4

Polarizaci´ on inversa del diodo: La polarización inversa de un diodo no permite el paso de la corriente através de el mismo, en la Fig. 8 se muestra la polarización inversa del diodo. En la figura 9 se muestra la curva caracter´ıstica del voltaje contra la corriente y se aprecia que si hay un voltaje inverso muy alto este conduce pero se nombra que está saturado. Note que el orden de la corriente es de los micro Ampere y el de el voltaje está en el orden de los Volts.

+ Figura 8: Polarizaci´on inversa de un diodo.

Figura 9: Curva caracter´ıstica de la polarizaci´on inversa de un diodo. En la Fig. 10 se muestra la curva ideal de un diodo. Cabe mencionar que con fines pr´acticos as´ı se considera el comportamiento de un diodo.

Figura 10: Curva caracter´ıstica del diodo ideal. 5

Tarea 1.- Imprimir la hoja de datos del diodo 1N4001 al 1N4007, solo la hoja de los parámetros mas importantes (sin las curvas caracter´ısiticas). Tarea 2.- Realice la simulación en cualquier software simulador de circuitos eléctricos conectando una resistencia en serie de 47Ω con un diodo 1N4001 conectado a una fuente de voltaje de CD variable, medir la corriente en el circuito cuando se var´ıa el voltaje en pasos de 0,2V hasta llegar a 5V medir también el voltaje en el diodo. Con los datos obtenidos dibujar las curvas en un software como Excel o Matlab discutir acerca de los resultados obtenidos. Realice lo mismo para la polarización inversa hasta llegar a 30 Volts usando pasos de 1V . Pr´ actica 1.- Hacer práctica la simulación anterior con cualquiera de los diodos de la Tarea 1. 1.1.2.

Rectificadores monof´ asicos y polif´ asicos

En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Dependiendo de las caracter´ısticas de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica o rectificador trifásico cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador de media onda, constituido por un u ´ nico diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga. El circuito rectificador de media onda es construido con un diodo ya que este puede mantener el flujo de corriente en una sola dirección, se puede utilizar para cambiar una se˜ nal de ac a una de dc. En la figura 11 se muestra un circuito rectificador de media onda. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede remplazar por un circuito abierto. Por tanto cuando el diodo se polariza en directo, la tensión de salida a través de la carga se puede hallar por medio de la relación de un divisor de tensión sabemos además que el diodo requiere 0.7 voltios para polarizarse as´ı que la tensión de salida esta reducida en esta cantidad (este voltaje depende del material de la juntura del diodo). Cuando la polarización es inversa, la corriente es cero, de manera que la tensión de salida también es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo as´ı la mitad de la tensión de alimentación. Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa).

Figura 11: Rectificador de media onda. Practica 2.- Realizar el circuito anterior Fig. 11 con un diodo 1N4007 y observar en el osciloscopio el voltaje de entrada y de salida, donde V1 = 127V CARM S Vamos a ver ahora el puente de Graetz o puente rectificador de cuatro diodos. En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura 12. Sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa). La tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua.

Figura 12: Rectificador de cuatro diodos o puente de Graetz. Practica 3.- Realizar el circuito anterior Fig. 12 con diodos 1N4007 y observar en el osciloscopio el voltaje de entrada y de salida.

Como se ha visto de una manera muy sencilla se puede rectificar una oonda de corriente alterna monofásico con un arreglo muy sencillo de diodos, de igual forma se puede rectificar las ondas trifásica de corriente alterna teniendo un mejor aprovechamiento de potencia y menos riso en la salida rectificada, lo cual nos permite tener un filtro que disipe menos energ´ıa a diferencia de un filtro para una salida rectificada monofásica. Un rectificador trifásico o convertidor trifásico es un dispositivo electrónico capaz de convertir una corriente alterna de entrada en una corriente continua de salida, mediante dispositivos semiconductores capaces de manejar grandes potencias como diodos, tiristores, entre otros. El rectificador trifásico cumple con la misma función que un rectificador monofásico, con la diferencia que estos rectificadores son alimentados por fuentes trifásicas, por lo que son más eficientes y pueden manejar grandes potencias, ya que en su salida presentan menor rizado de la se˜ nal. Son utilizados principalmente en la industria para producir voltajes y corrientes continuos que generalmente impulsan cargas de gran potencia, como motores DC. A pesar que estos rectificadores presentan menos rizo que un rectificador convencional, en muchas aplicaciones el factor de potencia y la distorsión armónica total de la l´ınea se ven afectados, es por ello que se requiere el uso de filtros de armónicos. Una de las aplicaciones en donde se presenta este fenómeno, es en los enlaces de transmisión de alto voltaje (HVDC), en donde las estaciones de conversión cuentan con filtros de armónicos que reducen la distorsión en la se˜ nal que producen los convertidores, para que sea transmitida con calidad y no se introduzcan perturbaciones a la red eléctrica. Un tipo de rectificador trifásico es el rectificador trifásico no controlado, este tipo de rectificadores emplea como semiconductor el diodo. Se denominan de este modo porque no se puede controlar la potencia de salida, es decir, para una tensión fija de entrada la tensión de salida es también fija. En un circuito rectificador trifásico no controlado de 6 pulsos, los diodos se enumeran en el orden de las secuencias de conducción y cada uno conduce 120◦ . La secuencia de conducción para los diodos son D5-D6, D1-D6, D1-D2, D3-D2 D3-D4, D5-D4 Fig. 13.

Figura 13: Rectificador trif´asico. En un sistema trifasico equilibrado los voltajes de l´ınea a neutro est´an definidos por: van = Vm sin (ωt) vbn = Vm sin (ωt − 8

2π ) 3

(1) (2)

vcn = Vm sin (ωt +

2π ) 3

Los voltajes correspondientes de l´ınea a l´ınea son: √ π vab = 3Vm sin wt + 6 √ π vbc = 3Vm sin wt − 2 √ 5π vca = 3Vm sin wt + 6

(3)

(4) (5) (6)

El voltaje promedio de salida se puede determinar mediante:

VDC

1 = π/3

2π/3

√

3Vm sin(wt)dt (7) √ 3 3 Vm (8) VDC = π Donde Vm es el voltaje pico de fase o voltaje m´aximo. En la Fig. 14 se puede observar los voltajes de entrada con el puente trif´asico. π/3

Figura 14: Ondas de entrada del rectificador trifásico. Practica 4.- Hacer práctico el puente rectificador trifásico de la Fig. 13 con diodos 1N4007. 9

1.1.3.

Aplicaciones industriales

Practica 5.- Realizar una fuente de corriente directa utilizando un rectificador de c.a. filtrar la salida con un capacitor regulable con un LM317. 1.1.4.

Alimentaci´ on de motores de c.c.

Practica 6.- Elaborar las conexiones necesarias para alimentar el motor de corriente continua (Ventilador de computador o motor de carrito de juguete), con la fuente elaborada en el punto anterior. Miniproyecto I.- Elaborar una fuente de CD regulable (pr´actica 5). Hacer el PCB con gabinete (comprar en steren), poner inciales del nombre y n´ umero de control en la tarjeta. Poner interruptor, fusible y transformadore necesario el voltaje de entrada ser´a de 127 Vca.

1.2.

Transistores de Potencia

El transistor es un componente electrónico semiconductor utilizado para producir una se˜ nal de salida en respuesta a otra se˜ nal de entrada. Cumple funciones de amplificador, dispositivo conmutador (interruptor). El término ✭✭transistor✮✮ es la contracción en idioma inglés de ”transfer resistor” resistencia de transferencia. Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: Radio, televisores, reproductor multimedia digital, reproductores de audio y video, computadoras, teléfonos celulares, controladores lógicos programables, entre otros. Algunos tipos de transistores se muestran en la Fig. 15.

Figura 15: Tipos de encapsulados para transistores. 1.2.1.

Tipos de transistor Bipolar (BJT)

El transistor de unión bipolar (del idioma inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre s´ı, que permite controlar el paso de la corriente eléctrica a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (hueco de electrón positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran 10

n´ umero de aplicaciones. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnolog´ıa TTL. Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones: Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como ”emisor” de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor. En la imagen de Fig. 16 se muestra el simobolo de un transistor BJT, donde la letra B es la base, la E es el emisor y la C es el colector.

Figura 16: Simbolo del transistor BJT. El funcionamiento del transistor se describe a continucación. En una configuración normal, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación t´ıpica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones vagan a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan huecos como portadores mayoritarios en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida u ´ til del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones. En la figura 17 se muestran las curvas caracteristicas de un transistor.

Figura 17: Curvas del transistor BJT. Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ”ganancia de corriente emisor com´ un” está representada por βF o por hf . Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es t´ıpicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ”ganancia de corriente base com´ un”, αF . La ganancia de corriente base com´ un es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN): IC IE IC βF = IB

αF =

βF =

βF αF ⇐⇒ αF = 1 − αF βF + 1

(9) (10) (11)

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras N y P se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayor´ıa de los transistores bipolares usados hoy en d´ıa son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los huecos en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la ”base”) entre dos capas de material dopado N. Una peque˜ na corriente ingresando a la base en configuración emisor-com´ un es amplificada en la salida del colector. La flecha en el s´ımbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Figura 18: Simbolo del transistor BJT NPN. El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras P y N refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en d´ıa son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempe˜ no en la mayor´ıa de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son com´ unmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una peque˜ na corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Figura 19: Simbolo del transistor BJT PNP. El transistor como interruptor. En la figura Fig. 20 se muestra un circuito en el cual se pueden realizar calculos para tratar al transistor tal como un interruptor de dos posiciones, ya sea abierto o cerrado.

Figura 20: Circuito para usar al transistor como un interruptor. El voltaje de entrada Vin determina cuando el transistor se comporta como un interruptor abierto o cerrado, no permitiendo o permitiendo el flujo de corriente por la carga RL . Cuando Vin es muy peque˜ no, no hay I por la union B-E, con IB =0 no hay IC por lo tanto IL = 0 Con las condiciones anteriores 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. Para mantener en corte un transistor de silicio Vin debe de ser menor a 0,6V o estar conectado a tierra. Para energizar la carga, el transistor debe de actuar como un transistor cerrado. Esto se consigue elevando el voltaje Vin a un valor suficientemente alto para llevar al transistor a saturación. La saturación de un transistor es aquella en la que la IC es grande tal que VCC aparezca en las terminales de la resistencia de carga idealmente. Partiendo de la ley de Ohm en la carga tenemos, IC(sat) =

VCC , RL

(12)

Partiendo de la ganancia β vista anterirormente Eq. 10, La IB est´a dada por, IB(sat) =

VCC 1 IC(sat) = , β βRL

(13)

a β se le conoce como ganancia de corriente directa. Para cerrar el interruptor (activar al transistor en saturaci´on) Vin debe de ser suficiente para entregar la IB necesaria de acuerdo con la Ec. 13. Dado que el circuito de base es simplemente una resistencia en serie con la union B-E, Vin se puede calcular, Vin = IB(sat) RB + 0,6, (14) Vin =

VCC RB + 0,6, βRL

(15)

El valor VBE se esta determinando con un valor de 0,6 en la ecuaci´on, debido a que se considera que es un transistor del silicio. Este dato puede ser obtenido en la hoja de datos de cada uno de los diferente transistores as´ı como la ganancia β.

Tarea3.- Reproducir el comportamiento de las curvas anteriores de color rojo Fig. 17 en un simulador de circuitos electr´onicos en un transistor utilice resistencias en la base y de carga para no reproducir corto circuitos en el sistema. Tarea4 .- Hacer los calculos para prender y apagar con un transistor NPN (2N2222) una lampara chica tipo arroz de 12V (Steren Modelo: NL-2951) usar en la base una resistencia de 1KΩ. Pr´ actica 7.- Hacer en el laboratorio experimentalente la tarea anterior 1.2.2.

Metal Oxido Semiconductor (MOS)

Una estructura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor ) es un dispositivo electrónico formado por un sustrato de silicio dopado, sobre el cual se hace crecer una capa de óxido. Los elementos se contactan con dos terminales metálicas llamadas sustrato y compuerta. La estructura se compara con un condensador de placas paralelas, en donde se reemplaza una de las placas por el silicio semiconductor del sustrato, y la otra por un metal, aunque en la práctica se usa polisilicio, es decir, un policristal de silicio. Funcionamiento. La estructura NMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con huecos. Al aplicar un potencial de compuerta positivo, los electrones presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atra´ıdos hacia la capa de óxido de compuerta. Al mismo tiempo, los huecos son repelidos de la capa de óxido de compuerta debido a que el potencial positivo los aleja. Esto ocasiona una acumulación de electrones en la cercan´ıa del óxido, en donde el silicio presenta un exceso de electrones y por lo tanto es de tipo n. La inversión del dopado en el silicio (que antes era de tipo p) es lo que le da origen al nombre de esta región. También se produce una región de agotamiento de portadores en las cercan´ıas del óxido, debido a que los huecos del sustrato se recombinan con los electrones atra´ıdos. De manera análoga, una estructura PMOS está formada por un sustrato de silicio dopado con electrones. Al aplicar un potencial de compuerta negativo, los huecos presentes en el sustrato (portadores minoritarios) son atra´ıdos hacia la capa de óxido de compuerta. Los electrones son repelidos del óxido de compuerta debido a que el potencial negativo los aleja. Los huecos se acumulan en la cercan´ıa del óxido, en donde el silicio acumula un exceso de huecos y por lo tanto se comporta como un material de tipo p. La recombinación de huecos y electrones produce una región de agotamiento. La tensión positiva aplicada en la compuerta de una estructura PMOS se distribuye a través de las capas de materiales de acuerdo con la siguiente ecuación, VG = qVF B + Vox + ψs

(16)

En donde VG es la tensi´on de compuerta, qVF B es la diferencia de las funciones de trabajo entre el metal y el semiconductor: qVF B = φM S = φM − φS ,

(17)

Vox es la ca´ıda de tensión en el óxido, ψs es la ca´ıda de tensión en el semiconductor Aplicaciones. La estructura MOS es de gran importancia dentro de los dispositivos de estado sólido pues forma los transistores MOSFET, base de la electrónica digital actual. Pero, además, es el pilar fundamental de los dispositivos de carga acoplada, CCD, tan comunes en fotograf´ıa. As´ı mismo, funcionando como condensador es responsable de almacenar la carga correspondiente a los bits de las 15

memorias dinámicas. También se utilizan como condensadores de precisión en electrónica analógica y microondas. 1.2.3.

Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del idioma inglés Insulated Gate Bipolar Transistor ) es un dispositivo electrónico semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la caracter´ısticas de las se˜ nales de puerta de los MOSFET (transistores de efecto campo) 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 caracter´ısticas de conducción son como las del BJT. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no hab´ıan sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia as´ı como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompa˜ nan cada d´ıa y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autob´ us, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o Sistema de alimentación ininterrumpida (en Inglés UPS), etc. En la Fig. 21 se muestra el simbolo del IGBT.

Figura 21: Simbolo del IGBT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energ´ıa como fuente conmutada, control de la tracción en motores. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de Amperios con voltajes de bloqueo de 6,000 Voltios. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los MOSFET. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros. En la Fig. 22 se muestra el circuito equivalente del IGBT.

Figura 22: Circuito equivalente del IGBT.

1.3.

Aplicaciones en m´ aquinas el´ ectricas

El control de las máquinas eléctricas requier de diversas técnicas en las cuales se utilizan los elementos electrónicos de potencia para controlar la corriente, el voltaje, la frecuencia entre otras cosas. En esta seccción veremos algunas técnicas basadas en electrónica de potencia para controlar la velocidad de motores de CD o también conocidos como CC. 1.3.1.

Control de Velocidad de motores de c.c.

La siguiente figura Fig. 23 representa un montaje que se compone de dos transistores apareados, un transistor NPN y otro PNP de caracteristicas practicamente identicas.

+ T1

T2 Figura 23: Circuito servoamplificador de motor de corriente directa. Los transistores están polarizados de tal manera; para Vin = 0, VBE1 y la IC1 son nulas en estas condiciones también el voltaje de salida Vs es nulo. Como primera aproximación, se utilizará una caracter´ıstica IE = f (VBE ) simplificada en la cual el umbral es de 0,6V , cuando la se˜ nal Vin es superior al umbral el transistor uno T1 conduce y el transistor dos T2 está bloqueado, con estas condiciones el montaje de la figura anterior se puede reducir como se muestra en el Fig. 24. 17

+ T1 + -

Figura 24: Circuito servoamplificador T1 activado. Pr´ actica 8.- Realizar el servoamplificador para motor de CD, utilizar un motor que tenga giro positivo y negativo utilizar el diagrama de Fig. 23 y colocar el motor en lugar de la RL .

1.4.

Circuitos de control hibridos (Electr´ onicos y Electromec´ anicos)

Miniproyecto II.- Con lo visto en esta unidad desarrollar una tarjeta de salidas a relevador de potencia. Una tarjeta de 4 salidas digitales de potencia a relevador para un microcontrolador. El voltaje de salida del sistema digital (micro controlador) podra variar de 3.3Vcd a 5Vcd y no debe de exceder 15mA. Hacer solo el PCB sin gabinete, poner inciales del nombre y n´ umero de control en la tarjeta.

Tiristores

El tiristor (del idioma griego puerta) es un 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 u ´ nico sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores t´ıpicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean as´ı 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP). Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR); otros definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los a˜ nos 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de f´ısica en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. ”Bill”Gutzwiller, de General Electric.

2.1.

Caracter´ısticas y par´ ametros

En la Fig. 25 se muestra algunos tipos de tiristores comerciales. En la Fig. 26 se muestra el simbolo en general del tiristor.

Figura 25: Diferentes tipos tiristores.

Figura 26: Simbolo general para los tiristores. Formas de disparar un tiristor. A continuaci´on se describen las formas por las cuales un tiristor entra en conducci´on.

Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el n´ umero 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. T´ ermica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del n´ umero 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 podr´ıa comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un dise˜ no 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 da˜ nar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo. Elevaci´ on del voltaje ´ anodo-c´ atodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente eléctrica de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede da˜ nar el dispositivo. Funcionamiento b´ asico. 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. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El dise˜ no del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su 20

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. Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una peque˜ na corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ańodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejar´ıa de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar as´ı la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF-ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF-ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo. Aplicaciones. Normalmente son usados en dise˜ nos donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son com´ unmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma s´ıncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ańodo, por tanto en s´ı misma es asimétrica. Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna. En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de energ´ıa o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente queden da˜ nados. La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por ejemplo. A comienzo de los 70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color. Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos. Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación, calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de bater´ıas), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas). Par´ ametros del tiristor. VRDM : Máxima Tensión inversa de cebado (VG = 0). VF OM : Máxima tensión directa sin cebado (VG = 0). 21

IF : Máxima Corriente eléctrica directa permitida. PG : Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo. VGT − IGT : M´ınima tensión o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado. IH : M´ınima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el tiristor (Corriente de sostenimiento). dv/dt: Máxima variación de tensión sin producir cebado. di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el tiristor. 2.1.1.

Rectificador controlado de silicio (SCR)

El rectificador controlado de silicio (en inglés 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. Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este u ´ ltimo caso, seg´ un se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (Sistema monofásico) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero). Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ańodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción a´ un sin corriente de puerta. Por ello se da como caracter´ıstica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ańodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico. En la figura 27 se muestran los circuitos equivalentes y las uniones de los materiales del SCR

Ánodo

A G

Compuerta

Cátodo

K a)

Cátodo

Figura 27: a) Uniones de materiales P-N para el SCR b) Equivalente de uniones c) Equivalente con transistores d) simbolo del SCR. El suministro de una cantidad variable y controlada de energ´ıa eléctrica es necesario para numerosas operaciones industriales. Entre las más comunes se encuentran la iluminación, el control de velocidad de un motor, el soldado y la calefacción eléctrica. Siempre es posible controlar el suministro de energ´ıa eléctrica entregado a una carga mediante el uso de un transformador variable 22

responsable de crear un voltaje de salida secundario variable. Sin embargo, para las especificaciones nominales de alta potencia, los transformadores variables son f´ısicamente grandes y costosos, además necesitan mantenimiento frecuente. Demasiado para transformadores variables. Otro método para el control de la energ´ıa eléctrica a una carga es la inserción de un reóstato en serie con la carga, a fin de limitar y controlar la corriente. Nuevamente, especificaciones nominales de alta potencia, los reóstatos son grandes, costos, requieren mantenimiento y gastan energ´ıa para arrancar. Los reóstatos no representan una alternativa recomendable para los transformadores variables en el control de potencia industrial. Desde 1960, ha estado disponible un dispositivo electrónico que no adolece de ninguna de las fallas mencionadas anteriormente. El SCR es peque˜ no y relativamente barato, no necesita mantenimiento y su consumo de energ´ıa es m´ınimo. Algunos SCR modernos pueden controlar corrientes de varios cientos de amperes en circuitos que operan a voltajes mayores a 1000 V. Por estas razones los SCR son muy importantes en el campo del control industrial moderno. En esta parte analizaremos estos dispositivos. Un SCR act´ ua en gran parte como un interruptor. Cuando se enciende, se presenta unatrayectoria de baja resistencia para el flujo de corriente del ańodo al cátodo; después act´ ua como un interruptor cerrado. Cuando se apaga, no puede fluir corriente del ánodo al cátodo, entonces act´ ua como un interruptor abierto. Debido a que se trata de un dispositivo de estado sólido, su acción de conmutación es muy rápida. El flujo de corriente promedio a una carga se puede controlar al colocar un SCR en serie con la carga. Esta combinación se muestra en la Fig. 28. El voltaje de alimentación de la Fig. 28 es normalmente una alimentación de 60 Hz ca, pero puede ser cd, en circuitos especiales. Si el voltaje de alimentación es ca, el SCR invierte una cierta parte del tiempo del ciclo ca en el estado encendido y el resto del tiempo en el estado apagado. Para una alimentación de 60 Hz ca, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms, el cual se divide entre el tiempo transcurrido en encendido y el tiempo transcurrido en apagado. La compuerta controla la cantidad de tiempo transcurrido en cada estado. La forma como la compuerta realiza esta tarea se describe más adelante. Si transcurre una peque˜ na cantidad de tiempo en el estado encendido, la corriente promedio transferida a la carga será peque˜ na, debido a que la corriente puede fluir de la fuente a través del SCR hacia la carga sólo durante una parte del tiempo relativamente corta. Si la se˜ nal de compuerta se cambia para provocar que el SCR esté encendido durante una parte de tiempo grande, entonces la corriente de carga promedio será mayor, debido a que ahora la corriente puede fluir de la fuente a través de SCR hacia la carga durante un tiempo relativamente más largo. De esta forma la corriente a la carga puede modificarse mediante el ajuste de la parte de cada ciclo que el SCR está encendido. Como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador, as´ı que transfiere corriente sólo durante los medios ciclos positivos de la alimentación ca. El medio ciclo positivo es el medio ciclo en el cual el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR de la Fig. 28 no se puede encender por más de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del tiempo del ciclo la polaridad del suministro es negativa, y esta polaridad negativa provoca que el SCR se polarice inversamente, lo cual impide que fluya corriente alguna a la carga.

Figura 28: Relaci´on de circuito entre el suministro de voltaje, un SCR y la carga. 23

Formas de Onda SCR. Los términos más utilizados para describir el funcionamiento de un SCR son el ańgulo de conducción y ańgulo de retardo de encendido. El ángulo de conducción es el n´ umero de grados de un ciclo ca, durante los cuales el SCR está encendido. El ángulo de retardo de encendido es el n´ umero de grados de un ciclo ca que transcurren antes de que el SCR se encienda. Por supuesto, estos términos están basados en la noción del tiempo total del ciclo que es igual a 360 grados (360o ). La figura 29 muestra las formas de onda para un circuito de control SCR para dos diferentes ańgulos de retardo de encendido. Perm´ıtanos interpretar en este momento la figura 29(a). En el momento en que el ciclo de ca comienza su alternancia positiva, el SCR se apaga. Por tanto, éste tiene un voltaje instantáneo a través de sus terminales de ánodo a cátodo equivalente al voltaje de alimentación. Esto es justo lo que se observar´ıa si se colocara un interruptor abierto dentro del circuito en lugar del SCR. Dado que SCR bloqueando totalmente el voltaje de alimentación, el voltaje a través de la carga (V carga ) será cero durante este tiempo. La forma de onda de la extrema izquierda de la figura 29(a) ilustra este hecho. Más a la derecha sobre los ejes horizontales, la figura 29(a) muestra el voltaje de ańodo a cátodo VAK descendiendo a cero después de cerca de un tercio del medio ciclo positivo; éste es el punto de 60o . Cuando VAK cae a cero, el SCR se habrá disparado o encendido. Por tanto, en este caso el ángulo de retardo de encendido es de 60o . Durante los siguientes 120o el SCR act´ ua como un interruptor cerrado sin voltaje alguno a través de sus terminales. El ángulo de conducción es 120o . La suma total del ángulo de retardo de encendido y el ángulo de conducción siempre es de 180o . La forma de onda del voltaje de carga de la figura 29(a) muestra que cuando el SCR se enciende, el voltaje de suministro es aplicado a la carga. El voltaje de carga entonces sigue al voltaje de suministro a través del resto del medio ciclo positivo, hasta que el SCR nuevamente se apaga. El apagado ocurre a medida que el voltaje de suministro atraviesa por cero. En general, estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se encienda, el voltaje de suministro completo se bloquea a través de las terminales del SCR y la carga observa voltaje cero. Después de que el SCR se dispara, el voltaje de suministro total cae a través de la carga, y el SCR cae a voltaje cero. EL SCR se comporta justo como un interruptor de acción rápida. La figura 29(b) muestra las mismas formas de onda para un ángulo de retardo de disparo diferente. En estas formas de onda, el ańgulo de retardo de disparo es de cerca de 135◦ y el ángulo de conducción de 45◦ aproximadamente. La carga observa el voltaje de alimentación durante un tiempo mucho más peque˜ no en comparación con la figura 29(a). Como resultado, la corriente promedio es más peque˜ na.

Figura 29: Formas de onda ideales del voltaje principal VAK en las terminales del SCR y del voltaje de carga: (a) para un ángulo de retardo de disparo de 60o , ángulo de conducción de 120o , (b) para un ańgulo de retardo de disparo de aproximadamente 135o , ángulo de conducción de 45o . 24

Un SCR es disparado por una peque˜ na ráfaga de corriente que se aplica en la compuerta. Esta corriente de compuerta (iG ) fluye a través de la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR en la terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza como IGT . La mayor parte de los SCR necesitan una corriente de compuerta de entre 0.1 y 50 mA para dispararse (IGT = 0,1 − 50mA). Dado que existe una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre esas terminales (VGK ) debe ser ligeramente mayor a 0,6V . La figura 30 muestra las condiciones que deben existir en la compuerta para que el SCR se dispare. Una vez que un SCR se ha disparado, no es necesario continuar el flujo corriente de compuerta. Mientras la corriente contin´ ue su flujo a través de las terminales principales, de ańodo a cátodo, el SCR permanecerá encendido. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (iAK ) cae por debajo de un valor m´ınimo, llamado corriente de retención (o sostenimiento), simbolizada IHO , el SCR se apagará. Esto ocurre a menudo cuando el voltaje de alimentación ca atraviesa cero hacia su región negativa. Para la mayor´ıa de los SCR de tama˜ no mediano, IHO es aproximadamente 10 mA.

Figura 30: Voltaje de la compuerta al c´atodo (VGK ) y corriente de compuerta (iG ) necesarios para disparar un SCR.

Figura 31: SCR con un resistor de 150Ω en la terminal de compuerta y su terminal de c´atodo conectada a la tierra del circuito. Tarea 5.- Para el circuito de la figura 31, ¿qu´e voltaje se requiere en el punto X para disparar el SCR? La corriente de compuerta necesaria para disparar un 2N3669 es 20 mA bajo condiciones normales. Pr´ actica 9.- Hacer el disparo del SCR colocando una lampara de 12V tipo arroz como carga y un potenciometro en serie con esta, disparar con un boton en la compuerta. 2.1.2.

TRIAC

En términos generales, los triacs son parecidos a los SCR, con excepción de que los primeros pueden transportar corriente en cualquier dirección. Tanto los triacs como los SCR son miembros 25

de la familia de los tiristores. El término tiristor abarca todos los dispositivos semiconductores que muestran un comportamiento de ENCENDIDO-APAGADO inherente, contrario a permitir el cambio gradual en la conducción. Todos los tiristores son dispositivos de conmutación regenerativos que no puede funcionar de una manera lineal. Por tanto, un transistor no es un tiristor debido a que, a pesar de que puede operar como ENCENDIDO-APAGADO, ésta no constituye su naturaleza inherente; para un transistor es posible operar de modo lineal. Algunos tiristores pueden ser conmutados al estado ENCENDIDO, como vimos anteriormente para los SCR. En este aspecto los triacs son semejantes. Otros tiristores no se pueden conmutar a ENCENDIDO, pero se encienden cuando los voltajes aplicados alcanzan un cierto valor de rompimiento. Los diodos de cuatro capas y los diacs son ejemplos de este tipo de tiristor. Los tiristores peque˜ nos que no conmutan la corriente de carga principal se denominan por lo general dispositivos de rompimiento, término que utilizaremos en este texto. Son de utilidad en el circuito de disparo de compuerta para un tiristor de conmutación de potencia de carga más grande, como un triac. En esta parte analizaremos los tiristores de dispositivo de rompimiento más peque˜ nos, as´ı como los triacs. Un triac es un dispositivo de tres terminales usado para controlar la corriente promedio que fluye a una carga. Un triac se diferencia de un SCR en que éste puede conducir corriente en cualquier dirección cuando está en ENCENDIDO. El s´ımbolo esquemático de un triac se muestra en la figura 32(a), junto con los nombres y abreviaturas de sus terminales. Cuando el triac está en APAGADO, no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje aplicado externamente. En consecuencia el triac act´ ua como un interruptor abierto. Cuando el triac está en ENCENDIDO, existe una ruta de flujo de corriente de baja resistencia de una terminal hacia la otra, con la dirección del flujo dependiendo de la polaridad del voltaje externamente aplicado. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es más positivo en MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En cualquier caso el triac act´ ua como un interruptor cerrado. La relación de circuito entre el voltaje de alimentación, el triac y la carga se ilustra en la figura 32(b). Un triac se coloca en serie con la carga justo como un SCR, como esta figura muestra. La corriente promedio suministrada a la carga se puede variar mediante el cambio de la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en su estado ENCENDIDO. Si permanece una peque˜ na parte de tiempo en el estado ENCENDIDO, el flujo de corriente promedio durante muchos ciclos será bajo. Si una parte considerable del tiempo del ciclo transcurre en el estado ENCENDIDO, entonces la corriente promedio será alta. Un triac no está limitado a 180o de conducción por ciclo. Con la distribución de disparo apropiada, puede conducir durante 360o completos por ciclo. Por tanto, proporciona control de potencia de onda completa en lugar del control de potencia de media onda posible con un SCR. Los triacs tienen las mismas ventajas que los SCR y los transistores sobre los interruptores mecánicos. No tienen rebote de contacto, no forman arcos a través de contactos parcialmente abiertos, y operan mucho más rápido que los conmutadores mecánicos, por tanto producen un control de corriente más preciso.

Figura 32: (a) S´ımbolo esquemático y nombres de terminales de un triac. (b) Circuito triac que muestra la forma en que están conectados el voltaje de alimentación, la carga y el triac. 26

Formas de onda del TRIAC Las formas de onda del triac son muy similares a las formas de onda del SCR a excepción de que pueden disparar en el medio ciclo negativo. La figura 33 muestra las formas de onda tanto del voltaje de carga como del voltaje de triac (a través de las terminales principales) para tres condiciones diferentes. Las formas de onda de la figura 33(a) muestra el triac APAGADO durante los primeros 30o de cada medio ciclo; durante estos 30o el triac act´ ua como un interruptor abierto. En este lapso de tiempo el voltaje completo de l´ınea cae a través de las terminales principales del triac, sin voltaje aplicado a la carga. Por tanto, no existe un flujo de corriente a través del triac o la carga. La parte del medio ciclo durante el cual esta situación existe se denomina ángulo de retardo de disparo, justo como sucedió para un SCR. También en la figura 33(a), después de que han transcurrido 30o , el triac se dispara o se enciende, y se vuelve como un interruptor cerrado. En este instante el triac comienza a conducir corriente a través de sus terminales principales y de la carga, y contin´ ua transportando corriente de carga durante lo que resta del medio ciclo. La parte del medio ciclo durante la cual el triac se enciende se denomina ángulo de conducción. El ángulo de conducción en la figura 33(a) es de 150o . Las formas de onda muestran que durante el ángulo de conducción el voltaje de la l´ınea entero se aplica a la carga, con la aparición del voltaje cero a través de las terminales principales del triac. La figura 33(b) muestra las mismas formas de onda con un ángulo de retardo de disparo más amplio. El ańgulo de retardo es de 120o y el ángulo de conducción es de 60o en la figura 33(b). Dado que la corriente fluye durante una menor parte del ciclo total en este caso, la corriente promedio será menor que lo que fue para la condición de la figura 33(a). Por tanto, se transfiere menos potencia de la fuente a la carga. Los triacs, como los SCR y como la mayor´ıa de los demás dispositivos semiconductores, muestran variaciones notoriamente amplias en sus caracter´ısticas eléctricas. Este problema es en especial evidente con los triacs debido a que a menudo sucede que los requerimientos de disparo son distintos para las dos polaridades diferentes de voltaje de alimentación. La figura 33(c) muestra las formas de onda que ilustran este problema. La forma de onda de triac de la figura 33(c) muestra un ángulo de retardo más peque˜ no en el medio ciclo positivo que en el medio ciclo negativo debido a la tendencia del triac de dispararse más fácilmente en el medio ciclo positivo. Otro triac del mismo tipo podr´ıa tener la tendencia de activarse más fácilmente en el mediociclo negativo; en ese caso el ańgulo de retardo negativo ser´ıa más peque˜ no. Algunas veces ese comportamiento de disparo inconsistente no se puede tolerar.

Figura 33: Formas de onda del voltaje de terminal principal y voltaje de carga del triac para tres condiciones diferentes. (a) El retardo de disparo es igual a 30o tanto para el medio ciclo positivo como para el medio ciclo negativo. (b) El retardo de disparo es igual a 120o para ambos medios ciclos. (c) ´ Angulos de retardo de disparo desiguales para los medios ciclos positivo y negativo. Esto es, por lo general, indeseable. Caracter´ısticas el´ ectricas de los TRIACS Cuando un triac está polarizado con un voltaje externo más positivo en MT2 (llamada polarización de terminal principal directa o positiva), por lo general se activa mediante un flujo de corriente de la compuerta hacia MT1. Las polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes de este caso se muestran en la figura 34(a). Cuando un triac está polarizado como lo muestra la figura 34(a), el disparo es idéntico al disparo de un SCR. La terminal G es positiva con respecto a MT1, lo que ocasiona que la corriente de disparo fluya hacia el interior del dispositivo en la terminal de compuerta y hacia fuera del dispositivo en la terminal MT1. El voltaje de compuerta necesario para disparar un triac se simboliza como VGT , la corriente de compuerta necesaria para el disparo se simboliza como IGT . La mayor´ıa de los triac de tama˜ no medio tienen un VGT de aproximadamente 0.6 a 2.0 V y un IGT de 0.1 a 20 mA. Como es habitual, estas caracter´ısticas var´ıan bastante seg´ un los cambios de temperatura. Las variaciones t´ıpicas en las caracter´ısticas eléctricas con la temperatura se grafican en las hojas de especificación del fabricante. Cuando el triac está polarizado más positivamente en MT1 (llamada polarización inversa o negativa de terminal principal), como muestra la figura 34(b), a menudo el disparo se logra enviando la corriente de compuerta al interior del triac en la terminal MT1 y fuera del triac en la terminal G. El voltaje de compuerta será negativo con respecto a MT1 para lograr esto. Las polaridades de voltaje y direcciones de corriente para invertir la polarización de terminal principal se ilustran en la figura 34(b). Para un triac individual en especial, el IGT para la polarización directa de terminal principal puede ser bastante diferente de IGT para la polarización 28

inversa de terminal principal. Sin embargo, si se consideran muchos triacs del mismo tipo, el IGT para la polarización directa de terminal principal será igual a IGT para la polarización inversa de terminal principal. Al igual que un SCR, un triac no requiere una corriente de compuerta continua una vez que ha sido disparado. Permanecerá en estado encendido hasta que la polaridad de la terminal principal cambie o hasta que la corriente de terminal principal caiga por debajo de la corriente de sostenimiento IHO . La mayor´ıa de los triacs de tama˜ no medio tienen un valor nominal de IHO menor a 100 mA. Otras caracter´ısticas eléctricas importantes que aplican a los triacs son: (1) la corriente rms de terminal principal máxima permitida, IT rms (2) el voltaje de rompimiento, VDROM que es el voltaje pico de terminal principal más alto que el triac puede bloquear en cualquier dirección. Si el voltaje instantáneo aplicado de MT2 a MT1 debe exceder VDROM , el triac entrará en rompimiento y comienza a dejar pasar la corriente de terminal principal. Esto no da˜ na al triac, pero representa una pérdida de control de compuerta. A fin de evitar un rompimiento, el triac debe tener un valor nominal VDROM mayor que el valor pico del voltaje ca que acciona el circuito. Los valores nominales más populares de VDROM para los triacs son 100, 200, 400 y 600 V. Para muchos fabricantes la secuencia disponible de valores nominales IT rms es 1, 3, 6, 10, 15 y 25 A. Los fabricantes de triacs también emplean otras secuencias. Otro valor nominal eléctrico importante que se proporciona en las hojas de especificación de los fabricantes es VT M , el voltaje de estado encendido a través de las terminales principales. Idealmente, el voltaje de estado encendido debe ser 0 V, pero VT M por lo general cae entre 1 y 2 V para triacs reales, lo mismo que para los SCR. Un valor nominal bajo de VT M es preferible debido a que significa que el triac replica cercanamente la acción de un interruptor mecánico, aplicando el voltaje de alimentación completo a la carga. También significa que el triac en s´ı mismo consume muy poca energ´ıa. La energ´ıa consumida en un triac está dada por el producto de la corriente de terminal principal y el voltaje de terminal principal. Una alta disipación de energ´ıa no es aconsejable desde el punto de vista de protección del triac de altas temperaturas y también desde el punto de vista de una transferencia económica de energ´ıa de la fuente a la carga.

Figura 34: (a) Situación cuando un triac tiene polarización directa de terminal principal. Por lo general, la corriente de compuerta y el voltaje de compuerta tendr´ıan las polaridades indicadas. (b) La situación en un punto diferente en el tiempo en que el triac está polarizado inversamente. Por lo general, la corriente de compuerta y el voltaje también están invertidos. 29

Pr´ actica 10.- Hacer el disparo del TRIAC colocando una lampara de 12V tipo arroz como carga y un potenciometro en serie con esta, disparar con un boton en la compuerta. 2.1.3.

DIAC

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor caracter´ıstico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayor´ıa de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón. Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor. Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Act´ ua como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts seg´ un la referencia. Existen dos tipos de DIAC: DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones. DIAC de cuatro capas: Consiste en dos diodos Shockley, lo que le da la caracter´ıstica bidireccional. En la siguiente imagen Fig. 35 se muestra el simbolo del DIAC.

Figura 35: Simbolo del DIAC. 2.1.4.

UJT

El transistor monounión (UJT) es un dispositivo de conmutación de transición conductiva. Sus caracter´ısticas lo hacen ser muy u ´ til en varios circuitos industriales que incluyen temporizadores, osciladores, generadores de formas de onda y, lo que es más importante, en circuitos de control de compuertas para SCR y triacs. En este cap´ıtulo presentaremos las caracter´ısticas operativas y la teor´ıa sobre los UJT as´ı como ejemplos de uso de tales circuitos. Disparo de un UJT 30

El UJT es un dispositivo de tres terminales, las cuales se denominan como emisor, base 1 y base 2. El s´ımbolo esquemático y las ubicaciones de las terminales se muestran en la figura 36(a). No es buena idea tratar de relacionar mentalmente los nombres de las terminales del UJT con los nombres de las terminales del transistor bipolar com´ un. Desde el punto de vista de la operación del circuito, no existe analog´ıa entre el emisor de un UJT y el emisor de un transistor bipolar. Lo mismo sucede para la relación entre las terminales de base del UJT y la terminal base del transistor bipolar. Efectivamente, estos nombres de terminal tienen sentido desde un punto de vista interno que considera la acción de los portadores de carga, pero la acción de portación de carga interna no es un asunto importante para nosotros. En términos simples, el UJT opera de la siguiente forma. Vea la figura 36(b). 1. Cuando el voltaje entre el emisor y la base 1, VEB1 , es menor que un cierto valor denominado voltaje pico, Vp , el UJT está apagado, y no puede fluir corriente de E a B1 (IE = 0). 2. Cuando VEB1 excede a Vp , en una peque˜ na cantidad, el UJT se dispara o se enciende. Cuando esto sucede, el circuito de E a B1 se convierte en prácticamente un circuito cerrado y la corriente empieza a surgir de una terminal hacia la otra. En virtualmente todos los circuitos UJT, la ráfaga de corriente de E a B1 es fugaz y el UJT rápidamente se revierte de regreso a la condición de apagado. Como lo muestra la figura 36(b), se aplica un voltaje cd externo entre B2 y B1, siendo B2 la terminal más positiva. El voltaje entre las dos terminales de base se simboliza mediante VB2B1 , como se indica. Para una tipo dado de UJT, el voltaje pico V p será un cierto porcentaje fijo de VB2B1 más 0.6 V. Este porcentaje fijo se denomina el coeficiente de separación intr´ınseco, o simplemente coeficiente de separación del UJT, y se simboliza como η. Por esto el voltaje pico de un UJT puede escribirse como, Vp = ηVB2B1 + 0,6

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donde 0.6 V es el voltaje directo de encendido a través de la unión de silicio pn que existe entre el emisor y la base 1. Observe nuevamente el circuito de la figura 36(b). El capacitor comenzar´ıa a cargarse mediante el resistor RE en el instante en que el interruptor se cierra. Dado que el capacitor está conectado directamente entre E y B1, cuando el voltaje del capacitor alcance 11.6 V el UJT se disparará (suponiendo que η = 0,55. Esto permitirá que la acumulaciónde carga sobre las placas de CE se descargue rápidamente a través del UJT. En la mayor´ıa de las aplicaciones de UJT, esta ráfaga de corriente de E a B1 representa la salida del circuito. La ráfaga de corriente puede utilizarse para disparar un tiristor, encender un transistor o simplemente desarrollar un voltaje a través de un resistor insertado en la terminal de base 1.

Figura 36: (a) S´ımbolo esquemático y nombres de terminales de un UJT. (b) Un UJT conectado dentro de un circuito simple. Este diagrama muestra la corriente de emisor (IE ),el voltaje emisor a base 1 (VEB1 ) y el voltaje base 2 a base 1 (VB2B1) . Tarea 6.- Si el UJT de la figura 36(b) tiene un coeficiente de separación de η = 0,55 y un voltaje aplicado externamente VB2B1 de 20 V, ¿cuál es el voltaje pico?

2.2.

Control de fase

Ejemplo de un circuito de disparo muy simple para un SCR

Figura 37: Un circuito de disparo muy simple para un SCR. Cuando se cierra SW, existirá corriente hacia la compuerta cuando el voltaje de alimentación pase a positivo. El ańgulo de retardo de disparo lo determina el valor de R2 , la resistencia variable. Si R2 32

es baja, la corriente de compuerta será suficientemente grande para disparar el SCR cuando el voltaje de alimentación sea bajo. Por tanto, el ángulo de retardo de disparo será peque˜ no, y la corriente de carga promedio será grande. Si R2 es alta, el voltaje de alimentación debe ascender más alto para suministrar suficiente corriente de compuerta para disparar el SCR. Esto incrementa el ańgulo de retardo de disparo y reduce la corriente de carga promedio. El propósito de R1 es mantener cierta resistencia fija en la terminal de la compuerta a´ un cuando R2 se ajuste a cero. Esto es necesario para proteger la compuerta de corrientes excesivas. R1 también determina el ańgulo m´ınimo de retardo de disparo. En algunos casos se inserta un diodo en serie con la compuerta para proteger la unión compuerta-cátodo en contra de voltajes inversos altos. Una desventaja de este simple circuito de disparo es que el ángulo de retardo de disparoes ajustable sólo desde aproximadamente 0o a 90o . Esto se puede comprender mediante la figura 38, la cual muestra que la corriente de compuerta tiende a ser una onda senoidal en fase con el voltaje a través del SCR. En la figura 38(a), iG apenas alcanza a IGT , la corriente de compuerta necesaria para disparar el SCR. Bajo esta circunstancia el SCR se dispara a 90o dentro del ciclo. Se puede ver que si iG fuera más peque˜ na, el SCR en lo absoluto se disparar´ıa. Por tanto, los retardos de disparo por encima de 90o no son posibles con tal circuito de control de compuerta. En la figura 38(b), iG es un poco más grande. En este caso, iG alcanza a IGT relativamente temprano en el ciclo, lo que ocasiona que SCR se dispare antes. Se debe entender que las formas de onda iG de la figura 38 son ideales. Tan pronto como el SCR de la figura 37 se dispare, el voltaje del ánodo a cátodo cae casi a cero (en realidad de 1 a 2 V para la mayor´ıa de los SCR). Dado que el voltaje de compuerta se deriva del voltaje de ańodo a cátodo, también cae virtualmente a cero, cortando la corriente de compuerta. Además, dado que la compuerta es polarizada inversamente cuando la alimentación ca es negativa, en realidad no existe corriente de compuerta negativa. En realidad entonces, la curva iG es una onda senoidal en fase con el voltaje de alimentación sólo en la región entre 0o y el punto de disparo. En las otras ocasiones iG es cercana a cero. Falta un punto más por mencionar. Antes del disparo, la forma de onda VAK es virtualmente idéntica a la forma de onda de alimentación ca, debido a que la ca´ıda de voltaje a través de la carga en la figura 37 es insignificante antes del disparo. El voltaje en la carga es tan peque˜ no debido a que la resistencia de carga en tales circuitos es mucho más baja que la resistencia en el circuito de control de compuerta. La resistencia de carga es casi siempre menor a 100 Ω y a menudo menor a 10Ω. La resistencia fija en el circuito de control de compuerta es por lo general de varios miles de ohms. Cuando estas dos resistencias están unidas en serie, como lo están antes del disparo, el voltaje a través de la peque˜ na resistencia de carga es naturalmente muy bajo. Esto ocasiona que casi el voltaje de alimentación completo aparezca a través de las terminales del SCR.

Figura 38: Formas de ondas ideales del voltaje principal en las terminales y de la corriente de compuerta del SCR. La l´ınea punteada representa la corriente de compuerta necesaria para disparar al SCR (IGT ). (a) La corriente de compuerta es baja, lo que produce un ańgulo de retardo de disparo de alrededor de 90o . (b) La corriente de compuerta es mayor,lo que produce un ańgulo de retardo de disparo de cerca de 0o . Tarea 7.- Para la figura 37, asuma que la alimentación es de 115 V rms, IGT = 15mA, y R1 = 3KΩ. Se pretende que el retardo de disparo sea de 90o . ¿Aqué valor se debe ajustar R2 ? Pr´ actica 11.- Hacer el control de fase para una lampara puramente resistiva de 60 Watts a 127 Vca. con un SCR

Circuito de control de compuerta RC de un TRIAC El circuito de disparo de triac más simple se muestra en la figura 39(a). En la figura 39(a), el capacitor C se carga a través de R1 y R2 durante la parte del ángulo de retardo de cada medio ciclo. Durante un medio ciclo positivo, MT2 es positivo con respecto a MT1 y Cse carga positivo en su placa superior. Cuando el voltaje en C se acumula hasta un valor suficientemente grande para suministrar suficiente corriente de compuerta (IGT ) a través de R3 para disparar el triac, éste se dispara. Durante un medio ciclo negativo, C se carga negativo en su placa superior. Nuevamente, cuando el voltaje a través del capacitor es lo bastante grande para suministrar corriente suficiente de compuerta en la dirección inversa a través de R3 para disparar el triac, éste se dispara. El ritmo de carga del capacitor C se establece por medio de la resistencia R2 . Para una R2 grande, la velocidad de carga es lenta, lo que produce un retardo de disparo largo y una corriente de carga promedio peque˜ na. Para una R2 peque˜ na, la velocidad de carga es rápida, el ángulo de retardo de disparo es peque˜ no y la corriente de carga es alta.

Figura 39: (a) Circuito simple de control de compuerta (circuito de disparo) para un triac. El potenci´ometro R2 ajusta al retardo de disparo. (b) Circuito de control de compuerta mejorado,que permite un rango m´as amplio de ajuste del retardo de disparo. Tarea8.- Realizar el circuito de Control de fase parecido al anterior del SCR pero con TRIAC Pr´ actica 12.- Hacer el control de fase para una lampara puramente resistiva de 60 Watts a 127 Vca. con un TRIAC

2.3.

Relevadores de estado s´ olido

Temporizador UJT para relevador. En la figura 40 se presenta un ejemplo de un circuito temporizador de UJT que proporciona el retardo de tiempo para activar un relevador. En este circuito, se aplica alimentación a la carga cuando el relevador CR se activa. Esto ocurrirá un cierto tiempo (ajustable) después que SW1 se cierre. El retardo de tiempo se ajusta mediante el ajuste de RE . El circuito trabaja de la siguiente forma. Cuando SW1 se cierra y se aplican 24 V a R3 , comienza a fluir una peque˜ na cantidad de corriente hacia la bobina del relevador CR. R3 está dimensionado de forma que esta corriente no sea lo suficientemente grande como para activar la bobina, pero que sea lo suficientemente grande para mantenerla energizada una vez que ya haya sido activada. Esto es posible dado que la corriente de retención para una bobina de relevador es por lo general de la mitad de la corriente de activación. Es decir, una bobina de relevador requerirá una corriente de 0.5 A para realmente desplazar la armadura y la conmutación de contactos podr´ıa necesitar sólo de 0.25 A para mantener el cierre de contactos. El capacitor de 20µF CE se carga mediante REF y el potenciómetro de 1MΩ REV , a un ritmo especificado por la configuración de REV . Cuando CE alcanza un voltaje suficientemente grande, el UJT se dispara, y el capacitor se descarga a través de la bobina del relevador CR. Esto será suficiente para energizar la bobina y activar a CR. El pulso de corriente en la bobina cesará casi inmediatamente, pero ahora la corriente a través de R3 será suficiente para mantener la bobina energizada. El contacto CR N.A. cerrará y aplicará energ´ıa a la carga. El retardo de tiempo estará dado por la ecuación 19: t = (REF + REV )CE

(19)

Figura 40: Circuito temporizador de UJT. El relevador CR se activa cierto tiempo despu´es de que cierra el interruptor. El retardo de tiempo puede variarse mediante el potenci´ometro REV

2.4.

Aplicaciones de sistemas mecatr´ onicos

Tarea 9.- Dise˜ nar la etapa de potencia y control de un circuito para arrancar un motor monof´asico al cerrar un switch con retardo de 2 segundos. Pr´ actica 13.- Realizar pr´actica la tarea anterior.

2.4.1.

Control de un motor de c. a. polif´ asico y modulos de potencia para control de motores

Tarea 10.- Dise˜ nar un circuito de arranque y paro de un motor con dos botones momentaneos utilizando lo que sabe de electrónica digital y microcontroladores y dise˜ nar la etapa de potecia con retardo en el arranque de 3 segundos (hacer el relevador con temporizador no usar temporizador de microcontrolador). Mini Proyecto III.- Realizar la práctica experimental de la tarea anterior, entregar en gabinete y tarjeta de circuito impreso como si se fuera a vender a un usuario fial. Realizar el PCB por computadora. Poner inciales del nombre y n´ umero de control en la placa. Mini Proyecto IV.- Dise˜ nar y elaborar un probador de sondas para osiloscopio, transistores bjt pnp y npn, SCRs y TRIACs, en un gabinete (comprar en steren), con conector BNC, terminales adecuadas a cada dispositivo, leds indicadores, interruptores, selectores. Ademas poner dos jack banana para probar continuidad en cables. La alimentación se desea a 127VCA, fusibles en el lado primario y secundario del transformador. Relizar el PCB por computadora. Poner iniciales y n´ umero de control en la placa. (Este proyecto sera elaborado por equipo de 4 personas)

Referencias ´ [1] Timothy J. Maloney ELECTRONICA INDUSTRIAL MODERNA, 2006 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Páginas: 1000. [2] Rito Mijarez Castro Electr´ onica, Grupo Editorial Patria 1a. Edición, México 2014 Páginas: 400. [3] http://es.wikipedia.org