T3tiristores Ep 0809
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iristor
esElectrónica de Potencia
UNIDAD Nº 1 INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURALección 0.- Introducción a la Electrónica de Potencia (1 HORA)Lección 1.-Repaso conceptos. Potencias y armónicos
UNIDAD Nº 2. REPASO Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIALección 2.- Elementos semiconductores de potenciaLección 3.- Tiristor (antes 5)(3 HORAS)Lección 4.- Gobierno de tiristores y triac (antes 6)(3HORAS)Lección 5.- Disipación de potencia (antes 3)
UNIDAD Nº 3 CONVERTIDORESLección 6.- Convertidores AC/DC( Rectificadores) (antes 7)Lección 7.- Convertidores AC/AC(Reguladores,cicloconvertidores) (antes 8)Lección 8.- Convertidores DC/DC(troceadores conmutados) (antes 9)Lección 9.- Introducción alas fuentes conmutadasLección 10.- Convertidores DC/AC(Inversores)
•Lilen,H. Tiristores y triac. Marcombo.1998•Thyristor data. Mayo 2000. Onsemiconductor; http://www.onsemi.com
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Tema 3.- Tiristores
Introducción. Tiristor: Estructura y características, principios de funcionamiento. Nomenclatura. Características estáticas y dinámicas. Métodos de disparo: Disparo por puerta, otros métodos de disparo. Limitaciones de frecuencia. Límites de pendientes de tensión. Limitaciones térmicas. Extinción del SCR: Conmutación natural, conmutación forzada
Tema 4.- Gobierno de tiristores y triac y ejemplos de aplicaciones
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es IntroducciIntroduccióónn
DefiniciDefinicióón: n: El tiristor (SCRSCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestablebiestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados AnodoAnodo, CCáátodotodo y PuertaPuerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, Es un elemento unidireccional, conmutador casi idealconmutador casi ideal y y rectificadorrectificador.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Estructura Estructura y caractery caracteríística Vstica V--II
Bloqueo directo
Bloqueo inverso
Cátodo
A
K
VAKPuerta
Ánodo
VAK
IA
Zona de transición
Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo
Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce
Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce
Directo conducción
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
EstructuraEstructura
( ) Sktqv
SS3S1A I1eIIII ≈−===COEC III +=α
( ) COEB II1I −⋅−= α
( ) CO1A1B1 II1I −⋅−= α
CO2K2C2 III +=α
GAK III +=
( )21
CO2CO1G2A 1
IIIIαα
α+−++
=
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No conducción
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Paso a conducción
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Control de rectificadores controlados
RV1
V1
VR
VR
Disparo
α
Carga resistiva
Cuando el tiristor recibe un pulso de corriente en la puerta comienza a conducir, siempre y cuando tenga polarización directa entre ánodo y cátodoControlando el ángulo de disparo α controlamos la energía que pasa
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esAplicación: Control de motores cc
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SCR:FUNCIONAMIENTO EN CORRIENTE CONTINUA
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
La caractercaracteríística real stica real V V –– II del tiristor estárepresentada en la figura:
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esCaracterCaracteríísticas eststicas estááticas:ticas:
Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en en límite de sus posibilidades: VVRWMRWM, V, VDRMDRM, V, VTT, I, ITAVTAV, I, ITRMSTRMS, I, IRR, , TTjj, I, IHH..
Identifica estos parámetros en la hojas de características de los SCR adjuntos
TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
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CaracterCaracteríísticas de control:sticas de control:
Determinan la naturaleza del cto de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.
Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VVGFMGFM, V, VGRMGRM, I, IGMGM, P, PGMGM, P, PGAVGAV, V, VGTGT, V, VGNT GNT (V(VGDGD)), I, IGTGT, I, IGNT GNT (I(IGDGD))
−−VVGNTGNT (VGD) (VGD) e Ie IGNTGNT (IGD)(IGD) que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.
TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
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TEMA 5:TIRISTORES
CaracterCaracteríísticas de controlsticas de control
ConstrucciConstruccióón de la curva n de la curva caractercaracteríística de puertastica de puerta
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TEMA 5:TIRISTORES
CaracterCaracteríísticas de controlsticas de control
Dentro de esta zona encontramos una parte en la cual el disparodisparo resulta inseguroinseguro Esta corriente mínima disminuye al aumentar la temperatura:
GM
G(AV)
PP
=δ
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Observar las curvas y parámetros de puerta de las hojas de características adjuntas( SKT10 de Semikron)
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
AnguloAngulo de Conduccide ConduccióónnLa corrientecorriente y la tensitensióón n mediamedia de un tiristor variarvariaráán n en funcien funcióón del instante en n del instante en el que se produzca el el que se produzca el disparodisparo, es decir, todo va a depender del áángulo de ngulo de conducciconduccióónn. La potencia entregada y la potencia consumida por el dispositivo, también dependerán de él: cuanto mayor sea éste, mayor potencia tendremos a la salida del tiristor
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
El cto de la figura representa un control simple de potencia con carga resistiva, calcular:
1.- Tensión de pico en la carga.2.- Corriente de pico en la carga.3.- Tensión media en la carga.4.- Corriente media en la carga.5.- Realizar un estudio mediante PsPice, obteniendo las formas de onda para un ángulo de conducción θ = 60º. Comprobar que los apartados calculados en el ejercicio, coinciden con las simulaciones.Datos: Ve (RMS) = 120V f = 50Hz α = 60º RL = 10Ω
5_2.cir
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
169.7V2VVV e(RMS)máxp(carga) =⋅==
16.97V10
169.7R
VI
L
p(carga)p(carga) ===
( ) V5.40cos60º12
7.169Vmed =+⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅=
π
( ) A051.4cos12II máx
med =+⋅⋅
= απ
∫=π
α
απ
2maxRMS )(
21I senI
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
CaracterCaracteríísticassticas de de conmutaciconmutacióón:n:
Los tiristores necesitan untiempotiempo para pasar de pasar de bloqueo a conduccibloqueo a conduccióón y n y viceversaviceversa.
A.- Tiempo de Encendido (tON)
El tiempo de encendido (paso de corte a conducción) tON, lo dividimos en dos partes:
A1.- Tiempo de retardoTiempo de retardo. (ttdd)A2.- Tiempo de subidaTiempo de subida. (ttrr)
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
B.- Tiempo de Apagado (tOFF)Es el tiempo de paso conduccitiempo de paso conduccióón a corten a corte
Dividimos el tiempo de apagado en dos:
B1.- T de recuperaciT de recuperacióón inversan inversa. (ttrrrr).B2.- T de recuperaciT de recuperacióón de puertan de puerta. (ttgrgr).
grrroff ttt +== qt
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
CaracterCaracteríísticassticas de conmutacide conmutacióón:n:
Es aconsejable tratar de identificar los parámetros de conmutación en las hojas de características
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IIHH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.
Los distintos mLos distintos méétodos de disparo de los tiristores son:todos de disparo de los tiristores son:7.6.1.- Por puerta.7.6.2.- Por módulo de tensión. (V)7.6.3.- Por gradiente de tensión (dV/dt)7.6.4.- Disparo por radiación. 7.6.5.- Disparo por temperatura.
El modo usado modo usado es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseadosmodos no deseados.
MMéétodos de disparo:todos de disparo:Para que se produzca el cebado de un tiristor, la uniunióón n áánodo nodo -- ccáátodotodo debe estar polarizada en directopolarizada en directo y la seseññal de mandoal de mando debe permanecer un tiempo suficientementetiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IILL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Disparo por puerta:Disparo por puerta:
Disparo por Disparo por dcdc
Disparo por impulsoDisparo por impulso Disparo por puerta:Disparo por puerta:
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Disparo por gradiente de tensiDisparo por gradiente de tensióón:n:
Disparo indeseadoDisparo indeseado
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
En ctos donde el valor de dV/dt sea superior al valor dado por el fabricante, se pueden utilizar ctosctos supresores de transitoriossupresores de transitorios. Se Se conectanconectan en bornes de la alimentacion, en paralelo con el semiconductor o en paralelo con la carga.
Una solucisolucióón n muy utilizada en la práctica es conectarconectar en paralelo con con el tiristorel tiristor un cto RC (Red SNUBBERRed SNUBBER), para evitar variaciones bruscas de tensión en los extremos del semiconductor:
Limitaciones del tiristorLimitaciones del tiristor
Las más importantes son debidas a:
Frecuencia de funcionamiento.Sobretensiones y pendiente de tensión (dV/dt).Pendiente de intensidad (dI/dt).Temperatura.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
Limitaciones del tiristorLimitaciones del tiristor
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
Limitaciones del tiristor: frecuenciaLimitaciones del tiristor: frecuencia
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Ejemplo de calculo rápido red RC:El SCR del cto de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. La descarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS al circuito. Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta delelemento, calcular:
1º) Valor del condensador de la red de protección. 2º) Valor de la resistencia de protección.
Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20Ω; Imáx = 3A
5.55A120311V
RV(0)I
L
máx SC =
Ω==
F311.0s/V50
15.55Adt
dVCI C µµ
==⇒⋅= C
Ω=== 100103.63A
311VR
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
MMÉÉTODOS PARA EL CTODOS PARA EL CÁÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE LCULO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIPROTECCIÓÓN:N:A.- MMéétodo de la constante de tiempotodo de la constante de tiempo (más utilizado).B.- MMéétodo resonantetodo resonante.(Rashid)
A.- Método de la constante de tiempo
Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante de tiempo (ττ) de la dV/dtdV/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:
min
DRM
dtdV
V0.63
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅=τ
LRC τ=
( ) KIIVR
LTSM
Amáx
⋅−=
KK= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)
CdtdIVR Amáx
min
⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=
La misiLa misióón de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produn de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la ce la descarga instantdescarga instantáánea del condensador al inicio de la conduccinea del condensador al inicio de la conduccióón.n.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Limitaciones de la pendiente de intensidad (Limitaciones de la pendiente de intensidad (dIdI//dtdt))
Una variaciUna variacióón rn ráápida de la intensidad puede dar lugar a una pida de la intensidad puede dar lugar a una destruccidestruccióón del tiristorn del tiristor.(creación de puntos calientes)
Un procedimientoUn procedimiento posible es aaññadir una inductancia L para conseguir que la adir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (pendiente de la intensidad (dIdI//dtdt) no sobrepase el valor especificado en las ) no sobrepase el valor especificado en las caractercaracteríísticas del estado de conmutacisticas del estado de conmutacióónn.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅=
⋅−
LtR
A e1RVI
máx
A
dtdI
VL =
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Supongamos que el tiristor estácolocado según la figura. Calcular aplicando el método de la cte de tiempo el cto de protección contra dV/dt y dI/dt.
Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5Ω;
SCR: VDRM = 500V; ITSM = 250A; dI/dt = 13.5 A/µs; dV/dt = 50V/µs 294V2208V Amáx =⋅=
s3.6
dtdV
V0.63
min
DRM µτ =
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅=
F26.1R
C µτ==
( ) Ω=⋅−
= 83.3KII
VRLTSM
AmáxS
Ω=⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
= 15.4C
dtdIVR Amáx
min
H7.21
dtdI
VL Amáx µ==
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Poten
cia:T
iristor
es
TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
sobreintensidadessobreintensidades El fusible debe de conducir la corriente nominal del dispositivo
La energía permitida para el fusible i2t < i2t dispositivo
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lectró
nica
Elec
trónic
a de
Poten
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iristor
es
TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Limitaciones de la temperaturaLimitaciones de la temperatura
Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son repetitivos, la potencia mediapotencia media disipada en un tiristor será:
puerta.dePotenciadtIVT1P
T
0 AAKAV +⋅⋅⋅= ∫
∫ ⋅⋅⋅= 2
1
t
t AAKAV dtIVT1P
RIVV A0AK ⋅+=
Podemos decir que las plas péérdidas con una tensirdidas con una tensióón de n de alimentacialimentacióón dada y una carga fija, aumentan con el n dada y una carga fija, aumentan con el áángulo de conduccingulo de conduccióón (n (αα).).Si la conducción se inicia en t1 y termina en t2, la potencia potencia mediamedia de perdidas será:
( )2A(RMS)A(AV)0AV IRIVP ⋅+⋅=
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DISIPACIÓN DE POTENCIA
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iristor
es
Encapsulados
TO 220 ACD 61
DOP 31
TO 247
B 44
DO 5
En general, cuanto más grandes son y cuanto más superficie metálica tienen, más grande es la capacidad de evacuación de calor
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Ejemplo de disipadores
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Si
j
c
aoblea
encapsulado
ambiente
P (W)
Equivalente eléctrico
P (W)
RTHjc RTHca
Ta
j
c
a
Ta : Temperatura ambiente
Tensiones = Temperaturas
Corriente = Pérdidas (W)
TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA
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iristor
es
)RR(RPTT dcdjcdaj ++×=−
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iristor
esCuanto vale la máxima potencia que puede disipar el dispositivo sin que se rompa por
sobrecalentamiento ( o la máxima intensidad?)
Sin disipador de calorRja
TTsdPmax aj −=
W13.175
25110sdPmax =
−=
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es
( )
( )
( )
sdPP
Amp
RVI
IV
TAVTAV
AVT
AVT
<
=+⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
×××
=+⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
××=
⇒+⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅=
02.00 cos14702224
cos12
max
cos12maxV
)(
)(dc
π
απ
απ
No hace falta disipador
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Cuanto vale la máxima potencia que puede disipar el dispositivo sin que se rompa por
sobrecalentamiento ( o la máxima intensidad?)
Con disipador de calor
)RR(RT*T
Pdcdjc
ajmax ++
−=
K
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Un SCR (BTY 91) con Rjc = 1.6ºC/W y con Rcd = 0.2ºC/W, alimenta a una carga resistiva de 10Ω a partir de una señal alterna de
220VRMS. Si la conducción del SCR es completa (α = 0º). Calcular el disipador para una temperatura ambiente de 40ºC utilizando la
gráfica representada en la figura.
( ) A10cos1R2
2220ITAV =+⋅⋅
= απ
A(AV)
A(RMS)
II
fa ==
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
ExtinciExtincióón del tiristor. Tipos de conmutacin del tiristor. Tipos de conmutacióón.n.
Entenderemos por extinciextincióónn, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducciconduccióónn a pasar a cortea corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.
Conmutación Natural
-a.-) LibreLibre-b.-) AsistidaAsistida
Conmutación Forzada
-a.-) Por contacto mecPor contacto mecáániconico-b.-) Por Por ctocto resonanteresonante
--SerieSerie--ParaleloParalelo
-c.-) Por carga de condensadorPor carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliarPor tiristor auxiliar
intensidad por el tiristor intensidad por el tiristor se anula por si mismase anula por si misma
Secuencia lSecuencia lóógica de la gica de la fuente primariafuente primaria
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
ConmutaciConmutacióón forzada.n forzada.
Para provocar la conmutaciPara provocar la conmutacióónn del tiristor, será necesario anular la anular la corriente ancorriente anóódica durante un tiempo suficientedica durante un tiempo suficiente para que el tiristor pueda pasar a corte. Este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, puesto que si su duración es inferior a un valor determinado por ttoffoff (valor intrínseco al tiristor utilizado) no tendrá lugar la conmutación del dispositivo.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS
Sea el circuito de la figura. Para un tiempo de apagado del tiristor de toff= 15µs, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado.
Datos: E = 100V;R0 = 5Ω;C = 5µF
( )
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∞−+∞==∞
+=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
⋅−
⋅−
⋅−
CRtq
C
CRt
CCCCC
CCR
t
C
0
0
0
e-E)(V
e)(V)0(V)(V)(V ;A )(V
BA)0(V ; eBA)(V
EEt
t
t
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛+−= ⋅
−
CRt
0
q
eE2E0
CR0.693t 0q ⋅⋅=toffs33.1710550.693CR0.693t -6
0q >=⋅⋅⋅=⋅⋅= µ
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
FFundamento de conmutaciundamento de conmutacióón por n por ctocto resonanteresonante
LC21
π=f
∫ ==++ 00)(tvidtC1
dtdiL C
senwtLCVi(t) C+=
coswtV(t)v CC +=
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Conmutación por carga de condensador
La extinciextincióón n del tiristor se consigue con el circuito de se consigue con el circuito de la figurala figura:
En el cto anterior podemos distinguir 2 partes: cto de potencia constituido por la fuente E, el tiristor T1 y la carga RO (resistiva pura); y el cto auxiliar de bloqueo formado por R, C y un tiristor auxiliar T2.
El cto puede se comparado con un biestablebiestable asimasiméétrico de potenciatrico de potencia, en el que los tiristores conducen de forma alternada.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
TRIACTRIAC GTOGTO ZTOZTO FOTOTIRISTOREFOTOTIRISTORES S SITHSITH ASCRASCR MCTMCT
TRIACTRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccionaldispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de corriente alterna.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
GTO (GTO (Gate Gate -- Turn Turn -- Off)Off)Dispositivo semiconductor de potencia que combina características de un tiristor convencional con las de un transistor bipolar, presentando la ventajaventajade poder pasar de conduccipasar de conduccióón a bloqueo mediante la aplicacin a bloqueo mediante la aplicacióón de un n de un impulso negativo a la puertaimpulso negativo a la puerta
Es equivalente a una resistencia la cual es incapaz de bloquear voltaje. Para continua el dispositivo no presenta ningún problema, no obstante, si queremos bloquear cualquier voltaje inverso, deberemos conectar en serie con el GTO un diodo. Si deseamos que pase la corriente, deberemos conectar un diodo en antiparalelo con el dispositivo.
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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS
Busca en la red las características de los elementos siguientes tratando de identificar las diferentes caracteristicas presentadas:
SKT10 un tiristor de semikron
BT151 tiristor de Philips
BT138 Triac Fabricantes
ST MICROELECTRONICS
Semikron
PHILIPS SEMICONDUCTORS
INTERNATIONAL RECTIFIER
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