sábado, 3 de diciembre de 2011

Transistores


TRANSISTORES


El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares, etc.

Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.

TRANSISTOR BIPOLAR (BJT)

Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos de potencia. Los circuitos de polarización están diseñados para que estos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados).
Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y utilizados son los primeros.

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).

El estado de conducción se consigue proporcionando suficiente corriente de base para llevar el BJT a saturación. La tensión de saturación colector-emisor típica es de 1V a 2V para un BJT de potencia. Una corriente de base nula hace que el transistor se polarice en corte.



Los BJT de potencia están disponibles con valores nominales de hasta 1200V y 400A. Se suelen usar en convertidores que operan hasta 10 Khz. Actualmente han sido reemplazados por los MOSFETS e IGBT.

Características estáticas

Los  transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.

El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:

 - Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.

 - Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base, con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente representada por las siglas  β F o  hf . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE directa.

 - Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus  terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.



TRANSISTORES MOSFET

Así como podemos decir que el transistor  bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión.  Ello de debe al  aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y  mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.




Los valores nominales de los transistores MOSFET llegan a alcanzar hasta 1000V y 50A teniendo unas velocidades de conmutación mayores que los BJT usándose en convertidores que operan por encima de los 100khz.

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.

Características

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 energía 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.



COMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES TRANSISTORES DE POTENCIA 

A continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y frecuencias que pueden soportar los distintos transistores descritos.  
Los valores mencionados no son exactos, dada la gran disparidad que se puede encontrar en el mercado. En general, el producto tensión-corriente es una constante (estamos  limitados en potencia), es decir, se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente reducida. Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca potencia que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual.

miércoles, 30 de noviembre de 2011

Tiristores

TIRISTORES

El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).
                                                 
La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de  mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor.  Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).

Los tiristores son interruptores electrónicos utilizados en circuitos de potencia donde es necesario controlar la activación del interruptor.
Los tiristores son dispositivos de tres terminales (ánodo, cátodo y puerta) Dentro de la familia de tiristores se encuentran:

- Rectificador controlado de silicio (SCR)
- El  Triac
- Tiristor de bloqueo por puerta (GTO)
- Tiristor controlado por MOS (MCT)









Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altas tensiones de bloqueo pero las frecuencias de conmutación están limitadas a valores de 20Khz.

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.

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.

Formas de accionar un tiristor.

·        Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares     electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

·        Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.

·        Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.

·        Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo.

·        dv/dt: Si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

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.

TIRISTOR SCR

El  SCR (Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNP. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

caracteristicas estaticas


Las características estáticas corresponden a la región 
ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan
 al elemento en límite de sus posibilidades:
- Tensión inversa de pico de trabajo.
- Tensión directa de pico repetitiva.
- Tensión directa.
- Corriente directa media.
- Corriente directa eficaz.
- Corriente directa de fuga.
- Corriente inversa de fugas.
- Corriente de mantenimiento.



Características dinámicas.

Tensiones transitorias:
Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación, son breves y de gran amplitud, la tensión inversa de pico no repetitiva  debe estar dentro de esos valores.

Impulsos de corriente:
Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una          corriente de pico dada, a mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos, el tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.

TIRISTOR GTO

Al igual que el SCR, se activa al aplicar una corriente de puerta de corta duración cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva.
El GTO también puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa. La corriente de desactivación debe ser muy grande comparada con la corriente de activación.
El GTO es apropiado para aplicaciones en las que es necesario controlar tanto la activación como la desactivación del interruptor.

Funcionamiento

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 existe.

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  por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding, 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.




TRIAC

El TRIAC es un tiristor  capaz de conducir corriente en ambos sentidos. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas.


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.

MCT

Es un dispositivo funcionalmente equivalente al GTO, pero sin el requisito de alta corriente de desactivación de puerta. Está formado por un SCR y dos transistores MOSFET. Un MOSFET activa el SCR y el otro lo desactiva estableciendo la tensión puerta-cátodo, apropiada.

APLICACIONES

Son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente 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 síncrona 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.







Diodos De Potencia

DIODO DE POTENCIA

Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. El diodo es el interruptor electrónico más simple. No se puede controlar, son las tensiones e intensidades del circuito los que determinan los estados de conducción y corte.
En conducción pueden soportar una corriente media de 3000A llegando hasta tensiones inversas de 5000V.
El Si es el elemento semiconductor más empleado. Los diodos de potencia tienen una estructura más compleja que los de baja potencia. El paso de un estado a otro no es instantáneo y en dispositivos en los se trabaja a alta frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que éste acotará las frecuencias de trabajo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.




La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.


CARACTERISTICAS ESTATICAS


PARÁMETROS EN BLOQUEO



Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.

Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada.

Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más.

Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.

Tensión inversa continua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

PARÁMETROS EN CONDUCCIÓN

Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.

Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).

Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.

Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.


CARACTERISTICAS DINAMICAS

TIEMPO DE RECUPERACION INVERSA



El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. 

Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante.

La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.

ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo.

tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.

trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo.

di/dt: es el pico negativo de la intensidad.

Irr: es el pico negativo de la intensidad.

TIEMPO DE RECUPERACIÓN DIRECTO
tfr (tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF.

Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables.

Dispositivos de Electrónica de Potencia

INTERRUPTORES ELECTRÓNICOS
Los circuitos electrónicos de potencia convierten la energía eléctrica de un tipo en otro utilizando dispositivos electrónicos. Estos circuitos funcionan utilizando dispositivos semiconductores como interruptores, para controlar la tensión o la corriente. Esta asignatura se centra el funcionamiento de los circuitos básicos de EP, en lugar de centrarse en las prestaciones de los dispositivos.

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de  Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:

 1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de  conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no  disponen de ningún terminal de control externo.

2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los  Tiristores,  los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of  Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se  debe a una señal de control externa que  se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a 
OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo. 

3.Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo  MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno de estos dispositivos.