Transcripción de Introducción a la electrónica industrialElectrónica industrial

( Analógica y Digital) La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física

aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos

electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la

generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre

otros. ¿Qué es la electrónica industrial? La electrónica industrial es la base de

la automatización y control de procesos de producción. Facilita la optimización

de los recursos, y en consecuencia influye fuertemente en la productividad de

toda la economía. Electrónica analógica La electrónica analógica es una parte

de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión,

corriente, ..., varian de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar

infinitos valores. Electrónica Digital La electrónica digital trabaja con números.

La información esta en los números y no en la forma de la señal. Cualquier

señal se puede convertir a números y recuperarse posteriormente. 

1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Gracias a la electrónica se llevaron a cabo los descubrimientos científicos que tuvieron inmediata aplicación práctica y viceversa, las aplicaciones prácticas fomentaron la investigación científica para resolver diferentes problemas, lo cual a su vez abrió nuevos horizontes científicos.

Se reseña la curiosidad científica que ha tenido el hombre desde tiempos inmemoriales por las propiedades de la electricidad

El conocimiento científico de la electricidad dio lugar, inmediatamente, a aplicaciones tecnológicas importantes. Éstas incluyen al telégrafo, con el que el hombre pudo comunicarse por medios eléctricos, y a las máquinas eléctricas, o sea, motores eléctricos y generadores de electricidad. De esta forma, el hombre tuvo a su disposición fuentes de corriente eléctrica de gran intensidad, hecho que cambió drásticamente la vida, dando lugar a una revolución en la forma de vida de la humanidad, cuyas consecuencias fueron la iluminación eléctrica y el teléfono, entre otras.

Ya los hombres primitivos asignaban a las tormentas eléctricas la cualidad divina, y si una persona es alcanzada por un rayo, ésta se convertía en un individuo sagrado, con poderes, por supuesto, en caso que sobreviviera.Antes de pasar a ver el uso de la electricidad y sus posibilidades en gran escala, nos adentraremos en los diferentes tipos de electricidad.Electricidad analógica.La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión, corriente,..., varían de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). En contraposición se encuentra la electrónica digital donde las

variables solo pueden tomar valores discretos, teniendo siempre un estado perfectamente definido.Electrónica digital.La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se les puede llamar & quot; verdadero & quot; o & quot; falso & quot, o más comúnmente 1 y 0, refiriéndose a que en un circuito electrónico digital hay dos niveles de tensión.Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje.

Se denomina electrónica industrial a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.

Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.

La ingeniería electrónica se encarga de los dispositivos de estado sólido para efectuar el control y la conversión de la energía.La electrónica de potencia o electrónica industrial se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para conversión de la energía eléctrica.La electrónica industrial se utiliza en controles de iluminación, sistemas de calefacción, fuentes de alimentación, etc.Los dispositivos semiconductores de potencia son:• Diodos de Potencia• Tiristores• Transistores de unión bipolares de potencia• Transistores de efecto de campo de pote4ncia• Transistores bipolares de compuerta aislada• Transistores de inducción estáticos

1.1 HISTORIA

Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma una señal acústica en una eléctrica. Por otro lado, ya se había inventado el audífono, aparato que transforma una señal eléctrica en una acústica. En este sistema las voces se distorsionaban mucho, la energía con que se emitía la onda era muy pequeña. Además, el hecho de que la fracción de energía que

llegaba al receptor era muy pequeña, hacía difícil su funcionamiento para distancias grandes. La solución más satisfactoria fue lograda una vez que se inventó el tubo al vacío.

Desde el siglo XVIII algunos investigadores habían descubierto que si se calienta una superficie metálica, ésta emite cargas eléctricas. Sin embargo, fue Thomas A. Edison quien volvió a "desenterrar" este efecto en 1883, cuando trataba de mejorar su lámpara incandescente. Este efecto, que se llamó "efecto Edison", también recibe el nombre de termiónico. Fue el mismo Edison quien inventó un dispositivo en el cual la carga eléctrica emitida por la superficie metálica caliente (llamada cátodo) es recogida por otra superficie fría (llamada ánodo), lográndose de esta forma una corriente eléctrica. En la figura 1 se muestra cómo Edison construyó su dispositivo. Edison encerró los dos electrodos, el ánodo y el cátodo, dentro de un tubo de vidrio al vacío que también utilizaba para elaborar sus lámparas de iluminación.

Por otro lado, en el año de 1897 el físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) descubrió la existencia de una partícula eléctricamente cargada, el electrón. Thomson demostró experimentalmente que el electrón tenía carga eléctrica negativa. En el año de 1906 Thomson recibió el Premio Nóbel de Física por su descubrimiento.

En 1899 J.J. Thomson estableció que las cargas que se liberaban al calentar la superficie metálica eran electrones.

En 1903 el físico británico John Ambrose Fleming (1849-1945) fue el primero en encontrar una aplicación práctica del efecto Edison. Fleming era asesor de una compañía telegráfica y le habían encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas electromagnéticas. L a compañía utilizó como detector de ondas un cohesor, no muy eficaz. A partir de 1900, en algunos diseños de receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro como detectores que por cierto fueron las primeras componentes de estado sólido empleadas en electrónica. Fleming recordó su trabajo anterior sobre el efecto Edison, y encontró una solución en este tipo de lámpara eléctrica.

El avance más importante en el desarrollo de la electrónica fue dado por el físico estadounidense Lee de Forest (1873-1961), en 1906, al introducir en el tubo al vacío un tercer electrodo reticulado, llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se coloca entre el cátodo y el ánodo, como se ve en la figura 2. De Forest llamó a su dispositivo audión, aunque más tarde se le llamó tríodo. Tuvo que trabajar con diferentes dispositivos antes de conseguir el tríodo. El tríodo lo hace incorporar la señal y amplificar su intensidad.

A partir de 1907, hasta 1912, De Forest trabajó en el diseño de un sistema de radio, muy rústico, el cual trató de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. También formó una compañía para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su radio podía transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable.

Hacia 1912 De Forest había alcanzado cierto control en el comportamiento del tríodo. Redujo la amplificación(el voltaje de la batería del ánodo). Esta reducción la compensó conectando varios triodos.

Así construyó un amplificador, De Forest propuso su venta a la ATT. Cuando De Forest hizo la demostración de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los físicos de la empresa, Harold D. Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se percataron de que ese sistema era lo que buscaban.

Dirigido por Arnold, la ATT inició un proyecto de investigación para entender y dominar los principios físicos del funcionamiento del tríodo y así poder construirlo eficazmente. En el transcurso de dos años Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el débil y no muy confiable audión, en un amplificador muy potente y seguro. El tríodo así mejorado hizo posible que el servicio telefónico abarcara de costa a costa a Estados Unidos.

Otras compañías hicieron progresos significativos y la electrónica con tubos al vacío se desarrolló de manera impresionante de 1912 a 1932.

Durante la primera Guerra Mundial se usó mucho la radio y se construyeron tubos al vacío en grandes cantidades. Se utilizaron en 1915, en la radiotelefonía trasatlántica, para comunicar a Francia y Estados Unidos.

A principios de la década de 1930 se construyeron tubos al vacío con más elementos entre el cátodo y el ánodo; éstos fueron el tetrodo, el pentodo.

Desarrollo de la Radio.

Un elemento crucial para el desarrollo de la radio fue el oscilador. Este circuito fue inventado en 1913 por el físico estadounidense Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Es un circuito basado en un tríodo, de cuya salida se toma una parte de la corriente que se vuelve a alimentar a la entrada del tríodo, formando un circuito de retroalimentación. El primer programa público de radio fue emitido en Inglaterra el 23 de febrero de 1920. Así nació radio.

En 1933 Armstrong inventó otro tipo de emisión de señales de radio: el de frecuencia modulada (FM).

La transmisión por FM, iniciada comercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941, comparada con la amplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que sus transmisiones no se alteran con las perturbaciones, ya sean atmosféricas o producidas por el hombre, que afectan la amplitud de la onda pero no su frecuencia. En el sistema de FM no se presenta el llamado fenómeno de "estática", que es un ruido sistemático que se oye en emisiones de AM.

La radio como la conocemos en la actualidad fue la creación de tres hombres: Lee de Forest, autonombrado "padre de la radio", cuya invención del tríodo hizo posible el nacimiento de la electrónica moderna; Edwin Howard Armstrong, inventor del circuito retroalimentador (y del oscilador) así como de la frecuencia modulada, que forman la base de la transmisión y recepción de los sistemas actuales de radio (y de televisión); finalmente, David Sarnoff, quien encabezó la Radio Corporation of America (RCA).

Desarrollo de Televisión.

Hace alrededor de un siglo, varias personas empezaron a considerar la posibilidad de enviar imágenes por medios eléctricos (o sea, lo que hoy en día hace la televisión). En 1884, el alemán Paúl Nipkow solicitó una patente para un sistema de televisión que él denominó "telescopio eléctrico". Este rústico aparato era dispositivo electromecánico que utilizaba una fotocelda para transformar luz en corriente eléctrica. La imagen no reproducía los detalles finos. Variaciones de este se diseñaron hasta 1930 sin que realmente tuviesen éxito.

En una reunión de la Sociedad Roentgen, efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero eléctrico A. A. Campbell Swinton presentó un esquema de sistema de televisión, que es el que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir se enfocaría sobre una placa hecha de material no conductor de electricidad, por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayos catódicos. Este tubo fue inventado a mediados del siglo XIX por William Crookes para estudiar las propiedades de las corrientes eléctricas a través de gases. Para el receptor, Campbell Swinton escogió un tubo de rayos catódicos diseñado en 1897 por Ferdinand Braun, de la Universidad de Estrasburgo, en ese entonces parte de Alemania. Este tubo, llamado cinescopio, es de vidrio al vacío y tiene en su fondo una pantalla de material fluorescente, como fósforo, que emite luz cuando un haz de electrones incide sobre él. 

A medida que el haz electrónico barre la superficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por punto. Esta fue una idea de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnología de la televisión.

Campbell Swinton creó el diseño conceptual sobre el cual personas trabajarían. Fue Vladimir Zworykin (1889-1982), un ingeniero ruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construyó la primera cámara práctica. En 1924 mostró a la compañía Westinghouse una versión primitiva, pero que funcionaba. Las imágenes eran débiles y vagas, casi sombras. Los directivos de la empresa no se impresionaron tampoco cuando Zworykin les mostró una versión mejorada en 1929.

A quien sí impresionó Zworykin fue a David Sarnoff, director de otra compañía, la RCA Victor, quien creía en la promesa comercial de la televisión.

Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como director de investigación electrónica y en 1933 finalmente convenció a Sarnoff de que su cámara, a la que llamó iconoscopio (del griego iekon, imagen, y skopon, ver), y su cinescopio eran satisfactorios. Campbell Swinton había propuesto que fueran de rubidio, pero Zworykin descubrió que era mejor cubrir plata con óxido de cesio.

La RCA probó por primera vez un sistema completo en 1933. Transmitió imágenes de 240 líneas a una distancia de siete kilómetros en Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el número de líneas; actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema de televisión en funcionamiento. Por problemas burocráticos el gobierno no aprobó la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941. Durante los años de la segunda Guerra mundial, científicos e ingenieros dirigidos por Zworykin desarrollaron una cámara 100 veces más sensible que el iconoscopio, al terminar la guerra, la RCA reinició sus trabajos en el campo de la televisión.

El Radar y la Batalla de Inglaterra.

Desde principios de la década de 1980, tanto Gran Bretaña como Francia continuaban un programa muy importante de desarme que habían empezado la década anterior. Alemania, contraviniendo lo estipulado en el Tratado de Versalles inició, con el advenimiento del régimen nazi, un amplio programa de rearme. En pocos años se desarrolló un arma muy poderosa para su época, el bombardeo aéreo. O cada país desarrollaba un cuerpo de bombarderos aéreos, o se llevaba a cabo un desarme general. Gran Bretaña optó por esto último, pero no Alemania.

En la década de 1930 fue muy popular el concepto del rayo de la muerte: podía causar incapacidad física, mental y aun la muerte. Durante dicha década hubo buen número de personas que pretendieron haber inventado y construido dispositivos que producían diferentes tipos de rayos. Análisis mostraban que siempre había algún truco.

Se construyó un pequeño sistema acústico, que daría una señal cuando recibiera los sonidos producidos por los aviones, no era funcional ya que no distinguía entre el ruido producido por el atacante y otros sonidos, automóviles, animales.

H. E. Wimperis, jefe de Investigación Científica e Industrial del Ministerio, llamó al doctor Robert Watson Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y le preguntó sobre el prospecto de desarrollar algún rayo de la muerte. Watson Watt regresó a su laboratorio y propuso lo siguiente al doctor Arnold Wilkins, físico y ayudante suyo: calcule la cantidad de potencia de radiofrecuencia necesaria para elevar la temperatura de 4 litros de agua de 35.5º C a 41ºC a una distancia de 5 km y a una altura de 1 kilómetro. Su cálculo mostró que se necesitaba generar una potencia enorme era claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio.

Wilkins le dijo a Watson que los ingenieros de la Oficina de Correos se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores. Esta observación(enero de 1935) dio lugar al inicio de una serie de hechos que culminaron con la invención del radar.

Se inició la verificación experimental, que se encomendó a Wilkins, quien con su rudimentario equipo pudo detectar y dar la trayectoria que había seguido un avión.

Los primeros aspectos que resolvieron fue la presentación visual de la información recibida, emplearon un tubo de rayos catódicos . 

Se le hicieron muchas modificaciones para que pudiera detectar tanto la distancia a la que se encontraba un avión, sino también su altura. La mayor parte del sistema estaba completo en septiembre de 1938, cuando ocurrió la crisis de Munich.

Se instalaron en los aviones ingleses dispositivos electrónicos que al recibir la onda enviada desde tierra emitían a su vez una señal especial que los identificaba como amigos.

En agosto de 1939, tres semanas antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, Gran Bretaña contó con un sistema de detección de aviones. Con ayuda del radar, los ingleses podían detectar la salida de los aviones alemanes desde sus bases situadas en países conquistados, como Francia y Bélgica.

1.2 DISPOSITIVOS DE CONMUTACION

Un conmutador es un dispositivo eléctrico o electrónico que permite modificar el camino que deben seguir los electrones. Son típicos los manuales, como los utilizados en las viviendas y en dispositivos eléctricos, y los que poseen algunos componentes eléctricos o electrónicos como el relé. Se asemejan a los interruptores en su forma exterior, pero los conmutadores a la vez que desconectan un circuito, conectan otro. Seguidamente se describen los tipos de conmutadores más usuales.

Conmutador alternativo

También denominado conmutador de hotel o de dos direcciones sin punto neutro. Se utilizan siempre que haya que activar o desactivar un dispositivo desde dos lugares diferentes, como por ejemplo una lámpara. En las viviendas es típico encontrarlos en los salones o pasillos.

Conmutador de cruce

Ejemplo de aplicación: punto de luz conmutado desde tres puntos distintos.

Conocido también como conmutador inversor, este elemento no se instala nunca aislado, siempre han de ir acompañado por los conmutadores alternativos. Sirven por ejemplo para poder encender o apagar una lámpara desde tres puntos distintos, para lo cual se emplean dos conmutadores alternativos y un conmutador de cruce según se aprecia en la figura. Si el número de puntos de encendido/apagado es mayor de tres, se intercalarán tantos conmutadores de cruce como puntos se tengan, siempre entre dos conmutadores alternativos.

Triac:

El Triac puede ser considerado como la integración de 2 SCR's en forma paralela invertida.

El símbolo eléctrico del TRIAC, así como sus características de Voltaje corriente, se muestran en la figura. Cuando la terminal T1 es positiva con respecto a la terminal T2, y el dispositivo es disparado por una corriente positiva en la terminal “gate” (+ig), éste se enciende. De igual forma, cuando la terminal T2 es positiva con respecto a la terminal T1 y el dispositivo es disparado por una corriente negativa en la terminal “gate” , el dispositivo también se enciende.

Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 -T2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducción prácticamente igual a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.

 

El modo de operación del Triac, se describe a continuación:

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2. La corriente de puerta circula internamente hasta T1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal.

El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

Modo III + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4. La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

Modo III - : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción. Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

El Triac es usado frecuentemente en muchas aplicaciones de baja potencia como extractores de jugo, mezcladoras y aspiradora. Es económico y fácil de controlar en comparación de 2 SCR's conectados en forma antiparalela . Sin embargo, el Triac tiene una baja capacidad de dv/dt y un largo tiempo de apagado. No es recomendable su uso en niveles altos de voltaje y corriente.

Diac:

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

GTO (Gate Turn-off Thyristor)

Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”.

El símbolo para el tiristor GTO usado más frecuente, así como sus características de conmutación se muestran en la figura.

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido

MCT (MOS- Controlled Thyristor)

El MCT es otro dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el mercado. El símbolo de éste dispositivo se muestra en la figura. Está integrado por 2 MOSFET's, uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga.

Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). También, todos los MCT's tienen integrados dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutación.

Entre el ánodo A y el cátodo K existe una estructura pnpn que como ya se mencionó forma la estructura del tiristor del MCT. La región gate - ánodo está formada por más de 105 celdas. Este largo número de celdas provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. Dentro de la región ánodo - gate existen dos MOSFET's. Uno de ellos es un canal p, tipo pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo npn que es usado para el apagado.

Existen otras regiones p-pn+ que producen el encendido y el apagado del MCT.

La estructura descrita aquí es muy general y no muestra que solo el 4 por ciento de las celdas que posee el MOSFET sirven para el encendido.

En su operación, si el cátodo K es positivo con respecto al ánodo, no importando la polarización del gate, el MCT va a caer a un voltaje muy bajo, ésta situación debe ser evitada.

Si el ánodo A es positivo con respecto al cátodo K, y no existe un voltaje en le gate, el MCT permanece en estado de apagado hasta que un voltaje de ruptura es alcanzado cuando una avalancha de ruptura ocurre. En la práctica una pequeña corriente de fuga IA leak existe en el estado de bloqueo hasta que la ruptura suceda y el dispositivo se encienda.

Si el ánodo es positivo con respecto al cátodo y un voltaje negativo es aplicado al gate, el MCT se enciende. La caída de voltaje VMCT (ON) es muy pequeña y varía desde 0. 7 V sin carga hasta 1.1 V a plena carga. La corriente de ánodo es limitada solo por el valor de la impedancia de la carga.

Si el MCT está encendido, la aplicación de un voltaje positivo en el gate, regresa al dispositivo al estado de apagado hasta que un voltaje negativo en el gate es aplicado.

1.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas del FET

1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios).2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI.5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas que limitan la utilización de los FET

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada.2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT.3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.En este apartado se estudiarán brevemente las características de ambos dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas.

HUB es el componente electrónico que permite un enlace físico en las redes de estrella.

Ventajas

Si un PC se desconecta o se rompe el cable solo queda fuera de la red ese PC.

Fácil de agregar, reconfigurar arquitectura PC.

Fácil de prevenir daños o conflictos.

Centralización de la red

no sale como crear una red en estr ella

Desventajas

Si el nodo central falla, toda la red deja de transmitir.

Es costosa, ya que requiere más cable que las topologías bus o anillo.

El cable viaja por separado del concentrador a cada computadora.

1.4 TERMINOLOGIA

ADSL :Asymmetric Digital Subscriber Line (LíneadeAbonadoDigital Asimétrica) ATM: Asynchronous Transfer Mode (Modalidad de Transferencia Asíncronoa) ATU: ADSL termination Unit (Unidad de Terminación ADSL)

CHA: Challenge-Handshake Authentication Protocol (Protocolo de Autentificación de "retar - dar la mano")

CO: Central Office (Oficina Principal) DHCP:DynamicHostConfigurationProtocol(ProtocolodeConfiguraciónde Anfitrión Dinámico) DNS: Domain Name Service (Servicio de Nombres de Dominio) DSL: Digital Subscriber Line (Línea de Abonado Digital) DSLAM: Digital Subscriber Line Access MultiPlexer (Multiplexor de Acceso de Línea de Abonado

Digital) Firmware: Software, en forma binaria, almacenada dentro de un EEPROM o flash ICMP: Internet Control Message Protocol (Protocolo de Mensaje de Control Internet) IPC IP: IP Control Protocol (Protocolo de Control IP) ISP: Internet Service Provider (Proveedor de Servicios de Internet) LCP: Link Control Protocol (Protocolo de control de enlace) NAP: Netowork Access Provider (Proveedor de Acceso a la Red) NAPT: Network Address Port Translation (Traducción de Puerto de Dirección de Red) NCP: Network-layer Control Protocol (Protocolo de Control de capa de red) NSP: Network Service Provider (Proveedor de servicios de red) OCD: Out of cell Delineation (ATM error condition) (Delineación fuera de celda - Condición de

Error ATM) PAP: Password Authentication Protocol (Protocolo de autentificación de contraseña) POST: Power On Self Test (Auto chequeo de arranque) PPP: Point to Point Protocol (Protocolo de Punto a Punto) PTT: Post telephone and telegraph (Telco europeo) PVC: Permanent Virtual Circuit (Circuito Virtual Permanente) SMTP: Simple Mail Transport Protocol (Protocolo de Transporte de Correo Sencillo) SNMP: Simple Network Management Protocol (Protocolo de Gestión de Red Sencillo) RIP: Routing information Protocol (Protocolo de Información de Enrutamiento) RT: Remote Termnation (Terminación Remota)

II UNIDAD

2 DISPOSITIVOS DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)

Triac

Transistor IGBT

Tiristor GTO

Tiristor IGCT

MCT

Convertidores de la Energía Eléctrica

Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.

Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:

-Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua

-Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna

-Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna

-Choppers: convierten corriente continua en corriente continua

En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:

-Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.

-Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.) durante las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea en la

fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.

-Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.

-Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.

-Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.

2.1 CONSTRUCCION DE DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS

1EL DIODO SHOCKLEY

El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico (IH).

Figura: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley

2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.

Figura: Construcción básica y símbolo del SCR

3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH)

Este dispositivo es similar al SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de corriente con una señal en el terminal de gate.

Igual que el SCR, no permitirá el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en el terminal de puerta. La diferencia se encuentra en que el GCS puede pasar al estado de corte mediante un pulso negativo 10 ó 20 veces mayor que el pulso positivo aplicado para entrar en conducción.

Figura: Símbolo del GCS

4 SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH)

Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR.

Figura: Símbolo del SCS

5 EL DIAC

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

Figura: Construcción básica y símbolo del diac

6  EL TRIAC

Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje VBO como el diac.

Figura: Construcción básica y símbolo del TRIAC.

2.2 ANALISIS DE CIRCUITOS EQUIVALENTES CON DIODOS Y TRANSISTORES

DIODOS ZENER

La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la d un diodo polarizado directamente.

El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

 

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo).

Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W.

El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

 

En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

 

EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

 El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado.

El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

Principio de Funcionamiento:

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

 

Otros diodos son:

Diodos Schottky (Diodos de Barrera).

Diodos Varactores o Varicap.

Diodos Tunel.

Fotodiodos.

Diodos emisores de luz infrarroja.

Diodo de inyección láser (ILD).

Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

En este punto del curso vale la pena tomar en cuenta los siguiente comentarios:

- ¿ Qué tan válido es utilizar las aproximaciones ?

- ¿ Qué tan exacto puede ser un cálculo y/o una medición realizada en el laboratorio ?

Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote.

También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100ð puede ser realmente de 98ð o de 102ð o tal vez si ser exacto, y una fuente "ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.

 1.6 Comportamiento de CC de un diodo.

 

ANÁLISIS POR RECTA DE CARGA

La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto importante sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso el diodo).

Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff:

V - VD - VL = 0

V = VD + IDRL

Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea recta sobre la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas representará el punto de operación de la red o punto Q.

 

Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por RL y V, de tal manera que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V o de RL o de ambos, entonces la recta de carga cambiará también.

Los extremos de la recta de carga se obtienen buscando las intersecciones con los ejes (ID = 0 y después VD = 0):

Si VD = 0:

V = IDRL ó ID = V / RL

Si ID = 0:

V = VD ó VD = V

Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos define la recta de carga.

Es muy válido también utilizar para el diodo, en lugar de la curva real, la curva del modelo simplificado. En este caso, el punto Q no cambiará o cambiará muy poco.

 

Si en lugar del modelo simplificado se utilizara el modelo del diodo ideal, entonces sí cambiaría mucho el punto Q.

 

 

2.3  Descripción y características de funcionamiento de Tiristores: SCR, TRIAC, DIAC, GTO, IGBT’S

SCR

Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física 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.

FUNCIONAMIENTO

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 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).

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 pequeña 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 ánodo una

corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de

conducir.

TRIAC

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un 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.

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCRen

direcciones opuestas.

Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta.

El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta

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.

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

DIAC

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. Actúa 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 según la referencia.

DIAC de tres capas

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 conectados en antiparalelo, lo que le

da la característica bidireccional.

GTO

Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor) es un dispositivo

de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la

terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al

aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de

encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco

diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo

(C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su

máximo valor, IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo

(VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente

menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la

corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR)

requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y

una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta

de 250 A para el apagado.

ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Existen 4 capas de silicio (PNPN), 3 uniones (P-N, N-P y P-N) y tres terminales: ánodo (A), cátodo (C o K) y puerta (G). La diferencia en la operación radica en que una señal negativa en la puerta (G) puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la puerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado. Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada a la puerta G (gate), el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control. Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un

dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de

electrónica de potencia.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los 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 características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en

particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y

convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos

particularmente conscientes de

eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica

, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

CARACTERISTICA

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en

muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energías como fuente

conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. 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.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. 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 conmutacion 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.

Circuito equivalente de un IGBT.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de

puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una

señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.