UNIVERSIDAD DON BOSCO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA BIOMÉDICA

INSTRUMENTACION PARA DIAGNOSTICOY TRATAMIENTO MEDICO

TIRISTORES Y ELEMENTOS DE DISPARO

Catedrático: Ing. David Angello Manzano.

Alumno: Edgard Stanley Loza Padilla LP110405

David Ernesto Hernández Díaz HD110566

Adriana Beatriz Peña Funes PF100010

CIUDADELA CON BOSCO, 02 DE AGOSTO DE 2014

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ÍndiceIntroducción..........................................................................................................................3

1. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)................................................................4

2. Triodo de Corriente Alterna (TRIAC).....................................................................6

3. Diodo para corriente alterna (DIAC).......................................................................8

4. Transistor uniunión (UJT)........................................................................................9

5. Transistor uni-unión programable (PUT).............................................................11

Bibliografía......................................................................................................................13

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Introducción

Los tiristores constituyen una familia de dispositivos que pueden tomar diferentes nombres y características, pero donde todos los elementos que la componen se basan en el mismo principio de funcionamiento. Constructivamente son dispositivos de 4 capas semiconductoras N-P-N-P y cuya principal diferencia con otros dispositivos de potencia es que presentan un comportamiento biestable. Su construcción se debe en su origen a General Electric en 1957 y la comercialización general comienza hacia 1960.

Los tiristores pueden tener 2, 3 o 4 terminales, y ser de conducción unilateral (un solo sentido) o bilateral (en ambos sentidos). Ante una señal adecuada pasan de un estado de bloqueo al de conducción, debido a un efecto de realimentación positiva. El pasaje inverso, de conducción a bloqueo se produce por la disminución de la corriente principal por debajo de un umbral. Funcionan como llaves, presentando dos estados posibles de funcionamiento:

No conducción (abierto) Conducción (cerrado)

En el siguiente documento se presentan algunos elementos, como tiristores y elementos de disparo, se da la definición y funcionamiento de cada elemento, así como sus características y algunas aplicaciones en las cuales se tienden a utilizar. Estos elementos tienen características similares, sin embargo, conociendo un poco su estructura se pueden identificar y saber cuál es el más idóneo en diferentes aplicaciones.

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1. Rectificador Controlado de Silicio (SCR)

Fig.1. Simbolo del SCR.

Funcionamiento

El SCR es un dispositivo de tres terminales (ánodo, cátodo y compuerta) capaz de controlar corrientes altas para una carga, este elemento tiene la característica de ser un elemento robusto. En la figura 1 se muestra el símbolo que corresponde a este dispositivo en donde A representa al ánodo, K al cátodo y G a la compuerta. La compuerta que éste dispositivo posee se encarga de controlar la conducción desde el ánodo hacia el cátodo (unidireccional). Los SCR tienen la característica de actuar como un elemento interruptor, el cual depende si éste se encuentra encendido o apagado. Cuando se encuentra encendido, la resistencia que presenta ante el flujo corriente de ánodo a cátodo es pequeña, por lo cual el SCR actúa como interruptor cerrado. En el caso de que se encuentre apagado, el flujo de corriente no puede fluir a través del SCR desde el ánodo al cátodo, por lo cual se dice que actúa como interruptor abierto. Para describir adecuadamente el funcionamiento de éste dispositivo se hace uso de los términos ángulo de conducción y ángulo de retardo de encendido. El ángulo de conducción hace referencia al número de grados de un ciclo en CA en donde el SCR se encuentra encendido. El ángulo de retardo de encendido hace referencia al número de grados en el que un ciclo de CA transcurre antes de que el SCR se encienda. En la figura 2 se puede observar la forma de onda característica de los SCR para un ángulo de retardo de encendido. En esta forma de onda podemos observar que antes de que el SCR actúe como un interruptor cerrado, el voltaje de alimentación se bloquea a través de las terminales del SCR y la carga presenta un voltaje (Vcarga) de cero. Cuando el voltaje de ánodo a cátodo (VAK) es cero, el SCR se enciende, el voltaje de alimentación cae a través de la carga y el voltaje entre las terminales del SCR pasa a tener un valor de cero.

Fig.2. Forma de onda del voltaje principal (ánodo a cátodo) en las terminales del SCR y del voltaje de la carga.

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Los SCR son disparados o encendidos cuando alcanzan cierto valor de corriente en la compuerta (IGT), cada SCR posee un valor específico de IGT que por lo general se encuentra entre 0.1 y 50mA. Así mismo, necesita de un valor de voltaje entre las terminales de la compuerta y el cátodo (VGK) que debe ser ligeramente mayor a 0.6V. En la figura 3 se pueden observar la variación de las características del SCR con la corriente de compuerta en el orden de los miliamperios o inferiores a este orden.

Fig.3. Característica I-V del SCR.

Aplicaciones

Control de velocidad de un motor:

La velocidad de giro de un motor, puede ser controlado por medio de la variación de voltaje que recaiga sobre éste y al ser un motor un dispositivo generalmente robusto, no necesita que la alimentación que reciba sea totalmente DC, es por ello que la utilización de un SCR es conveniente en este caso, ya que de acuerdo a sus características, permitiría variar el valor del voltaje que alimentaría al motor de una forma sencilla, controlado por un potenciómetro, además de poder soportar corrientes medianamente grandes o grandes que demande el motor, en la figura 4 se muestra un diagrama sencillo de un control de velocidad para un motor

Fig.4. Circuito de control de velocidad de motor

El diagrama de este mismo circuito puede ser utilizado para otros tipos de carga, donde al variar el voltaje varía la respuesta de la carga, por ejemplo lámparas,

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calentadores térmicos, entre otros. Sólo se requiere calcular los valores de resistencias y capacitores de acuerdo a la aplicación requerida.

2. Triodo de Corriente Alterna (TRIAC)

Funcionamiento

El TRIAC, figura5, es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga. A diferencia del SCR, el TRIAC tiene la capacidad de conducir en ambos sentidos (bidireccional) y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento.

(a) (b)

Fig.5. (a) Simbolo del TRIAC ; (b) Formas de onda del voltaje principal en las terminales del TRIAC y del voltaje de carga.

Este dispositivo, al igual que el SCR, tiene la característica de actuar como un interruptor pero con la posibilidad de manejar voltajes positivos y negativos. Cuando el TRIAC está encendido, dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado, el flujo de corriente atraviesa al mismo por la baja resistencia que este presenta. Basándonos en la figura 5(a), cuando el TRIAC está polarizado con un voltaje más positivo en MT2, entonces la corriente fluye de MT2 hacia MT1, en caso contrario fluye de MT1 a MT2. Para ambos casos el TRIAC actúa como interruptor cerrado. En el caso de que el TRIAC se encuentre apagado, la corriente no puede fluir a través de las terminales del mismo y, por lo tanto, se dice que actúa como un interruptor abierto. Además, las formas de ondas que presenta el TRIAC son muy similares a las del SCR, a diferencia de que tienen la capacidad de disparar en el medio ciclo negativo. Así mismo, el TRIAC proporciona un control de corriente de onda completa (360°) en lugar de la media onda que controla el SCR (180°). En la figura 5(b) se muestra la forma de onda característica de los TRIAC y se explica de la misma manera que la forma de onda del SCR. En esta onda característica del TRIAC se presenta un ángulo de conducción de 150° y un ángulo de retardo de 30°. En el tiempo del ángulo de retardo, el TRIAC se encuentra apagado. Es decir, en cada medio ciclo, durante los primeros 30° se encontrara como un interruptor abierto. No existe flujo de corriente a través del TRIAC y de la carga. Luego,

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pasado los 30°, llegamos al ángulo de conducción que es la etapa en donde el TRIAC se enciende y pasa a actuar como un interruptor cerrado. Existe flujo de corriente a través de las terminales principales del TRIAC y la carga.El TRIAC también requiere de cierto valor de voltaje (VGT) y corriente (IGT) para encenderse. El valor de VGT aproximadamente es de entre 0.6 a 2V y una corriente IGT de entre 0.1 a 20mA.

Aplicaciones

Dentro de las aplicaciones se pueden mencionar: control de corrientes alternas, interruptor estático, control de velocidad de motor eléctrico, etc. Algunas serán explicadas a continuación:

Fig.6. (a) Circuito atenuador luminoso de lámparas (b) Circuito de control de fase usando TRIAC.

Atenuador luminoso de lámparas

Este tipo de aplicación es muy común en la vida diaria, se utiliza las propiedades de conducción bidimensional que permite el TRIAC, además de regular el paso de corriente alterna a la corriente requerida para controlar la luminosidad en una lámpara, esto se logra alternando los estados a los cuales funciona el TRIAC entre corte y conducción haciendo uso de un potenciómetro, según requiere el nivel de luminosidad determinado por el operario.En la figura 6(a) se muestra el diagrama de un circuito atenuador de lámparas.

Control de fase (Potencia)

Permite controlar la potencia AC que se suministra a la carga, esto se puede lograr debido a que el TRIAC se enciende y se apaga durante ciertos momentos, en las regiones positivas y negativas de la señal de entrada de AC. En la figura 6(b) se muestra un circuito de control de fase usando un TRIACPara activarse en la parte positiva, el TRIAC requiere un voltaje de conducción determinado, luego de alcanzarlo el dispositivo queda en conducción; para la parte negativa, la señal de salida es la misma, ya que este dispositivo puede funcionar en dirección inversa, ésta es una de las principales ventajas de usar un TRIAC para control de potencia: hay menor perdida de energía, debido a que se utilizan ambos ciclos de la señal de entrada, gracias a esto se puede llegar a utilizar cargas de más de 10kW.

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3. Diodo para corriente alterna (DIAC)

Funcionamiento

El DIAC es un tipo de diodo que puede operar con corrientes AC, comúnmente se usa para el disparo de elementos de control, esto es por la capacidad de no conducir hasta cierto valor de voltaje. Está construido por dos diodos Shockley en la siguiente configuración y posee la siguiente construcción:

Fig.7. Construcción del DIAC

Por esta combinación de materiales se obtiene la siguiente curva característica:

Fig.8. Curva característica del DIAC

En esta curva se puede observar el comportamiento del diodo y además se puede comprobar que se trata de un dispositivo que mientras tenga un voltaje en sus terminales inferior al valor VBR este no conduce, encontrándose en forma de un circuito abierto. Estos valores de voltaje oscilan entre 28V y 42VComo el DIAC funciona bajo la configuración anti-paralelo de dos diodos Shockley se puede decir que este voltaje VBR debería tener el mismo valor para ambas

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polarizaciones en el caso de aplicar una corriente alterna, pero pueden variar un poco siguiendo la siguiente regla:

V BR1=V BR2+0.1V BR2 Ecuación 1

Aplicaciones

Un ejemplo de aplicación es:

Fig.9. Uso de un DIAC para controlar un TRIAC

En este circuito, el DIAC es usado para controlar el ángulo de disparo de un TRIAC y así controlar la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través de RL. Entre los números de parte que se pueden consultar cuando se necesite ocupar un DIAC están los DB3, DB4 y SMDB3 que son DIAC de STMicroelectronics y presentan ciertas características cada uno. Ver anexo 1

4. Transistor uniunión (UJT)

Funcionamiento

El transistor UJT es un dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores, es un dispositivo de disparo y que consiste de una sola unión PN. El transistor es un tipo de tiristor que contiene dos zonas semiconductoras. Su funcionamiento es muy similar al de un SCR, por las características de su construcción, este dispositivo muestra características similares a un switch electrónico, similar a un transistor pero sin la amplificación de voltaje propia de los transistores y además cuando al UJT se le aplica una corriente eléctrica al Emisor entra en una etapa de conducción en la que el UJT exhibe un comportamiento de “resistencia negativa” hasta que la corriente de emisor llega al máximo limitado por la fuente del voltaje de emisor.Por lo tanto, el UJT sigue la siguiente curva característica:

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Fig.10. Curva de funcionamiento UJT

Fig.11. Ejemplos de conexión de circuitos con UJT (a) y uso para control de un SCR (b)

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones del transistor UJT son como oscilador, en circuitos de disparo, generadores de dientes de sierra, control de fase circuitos temporizadores, redes biestales, y alimentaciones reguladas de voltaje o corriente.

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a) Conexión UJT b) control de un SCR usando UJT

5. Transistor uni-unión programable (PUT)

Funcionamiento

El transistor PUT (uni-unión programable) es un dispositivo PNPN de cuatro capas, con tres terminales: cátodo K, ánodo A y compuerta G. En la Figura 12 se muestra el esquema y el símbolo del PUT. Aunque tiene nombre similar al transistor uni-unión, la constitución y funcionamiento del transistor PUT difieren enormemente del transistor uni-unión (UJT). Las características de transferencia de los dos dispositivos son muy parecidas y es la razón de la similitud entre los nombres.

Fig.12. Esquema y símbolo del transistor PUT

La programabilidad del dispositivo permite controlar los parámetros RBB y VP, que en el dispositivo UJT son fijos. La disposición básica para su polarización se muestra en la Figura 13.

Fig.13. Circuito básico de polarización del PUT

En la Figura 14 se muestran las características del transistor PUT

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Fig.14. Características del transistor PUT

En las características del transistor PUT pueden distinguirse tres regiones: 1. La región de corte (I baja < I p y 0 < V < V p).2. La región de conducción (I> I v y V > V v).3. La región de inestabilidad que las separa

La principal diferencia entre los transistores PUT y UJT estriba en que las resistencias RB1 y RB2 son resistencias internas del UJT, sin posibilidad de variación, mientras que en el transistor PUT estas resistencias se encuentran conectadas exteriormente y pueden variarse. Aunque las características del PUT y del UJT son similares, las corrientes de pico y de valle del PUT son más débiles que las del UJT y la tensión mínima de funcionamiento también es más pequeña en el PUT.

Aplicaciones

El uso del PUT se encuentra casi limitado a su utilización en osciladores de relajación para disparo de tiristores de potencia en aplicaciones de control de fase. Su alta sensibilidad, les permite trabajar con elevados valores de resistencia de temporización o pequeños valores de capacitancia, en aplicaciones de baja corriente, tales como temporizadores muy largos o en circuitos alimentadas con baterías.

Fig.15. Oscilador basado con PUT

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Anexo

Bibliografía

1. ROBERT L. BOYLESTAD Y LOUIS NASHELSKY, 2009. “Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos”, décima edición. México, Pearson Educación. Código de biblioteca: 537.534 B792 2009.

2. TIMOTHY J. MALONEY, 2006. “Electrónica Industrial Moderna”, quinta edición. México, Pearson Educación. Código de biblioteca: 621.3815 M257 2006.

3. Aplicaciones del SCR: http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm

4. Control de Motores CD: http://controlcd.wikispaces.com/Control+de+Motores+CD.

5. Control de potencia en corriente alterna: http://www.unicrom.com/Tut_triac.asp

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