Texto de Semiconductores Especiales

TEXTO DE SEMICONDUCTORES ESPECIALES
CAPITULO I: SENSORES Y RELES
1.1 SENSORES
Los sensores son dispositivos que “captan” variaciones de un parámetro de entrada (Luz;
Temperatura; Flujo de Aire; etc.) y lo expresan (salida) como variaciones de otro parámetro
(Resistencia; Capacidad; etc.) que es útil al sistema en que se utiliza.
Los sensores más utilizados en la electrónica son:
Ø
Sensores de Luz
Ø
Sensores de Temperatura
Ø
Sensores de Movimiento
En la Tabla 1, se muestran los parámetros de entrada y salida de los sensores de Luz y
Temperatura.
SENSOR
PARAMETRO
QUE SE CAPTA
PARAMETRO DE OBSERVACIONES
SALIDA
ENTRADA
FOTOCELULA
LUZ
RESISTENCIA
También denominado
fotorresistencia.
TERMISTOR
TEMPERATURA
RESISTENCIA
Tabla 1. Parámetros de Entrada y Salida de las Fotocelulas y Termistores.
1
Los termistores y posiblemente las fotocélulas se presentan en dos tipos, estos son los
siguientes:
a) Sensores de Coeficiente Positivo
Estos sensores tienen la característica, de que cuando se incrementa el valor del parámetro
de entrada, por ejemplo, un incremento de temperatura, como respuesta del sensor, también
se incrementa el valor del parámetro de salida, para nuestro ejemplo, también se
incrementaría el valor de la resistencia.
En el caso de los termistores, estos se denominan PTC (Termistor de Coeficiente Positivo).
En la Figura 1ª, se muestra la curva característica de este sensor.
R
R
o
C
o
C
Fig. 1 Curvas Características de Sensores: (a) Característica de Coeficiente Positivo;
(b) Característica de Coeficiente Negativo
b) Sensores de Coeficiente Negativo
Estos sensores tienen la característica, de que cuando se incrementa el valor del parámetro
de entrada, por ejemplo, un incremento de temperatura, como respuesta del sensor, el valor
del parámetro de salida se reduce, para nuestro ejemplo, el valor de la resistencia se
reduciría.
2
En el caso de los termistores, estos se denominan NTC (Termistor de Coeficiente
Negativo). En la Figura 1b, se muestra la curva característica de este sensor.
1.2 CIRCUITO CON SENSOR
Un circuito que utiliza el sensor de luz también denominado fotocélula; LDR;
fotorresistencia, es el que se muestra en la Fig. 2.
Fig. 2 Circuito con Sensor; (a) Circuito; (b) Circ. en Corte; (c) Circ. en Saturación.
1.2.1 ANALISIS DEL CIRCUITO CON SENSOR
Las ecuaciones que se obtienen del circuito son las siguientes:
Ecuaciones para el Estado de Corte:
Vcc = I 2 R + 0.2
0.2 = I 2 R 2
3
Ecuaciones para el Estado de Saturación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
0.8 = I1 R1
Ic ³
Ic
b
Las ecuaciones precedentes son un sistema que debe solucionarse para realizar el diseño del
circuito. Como son seis (6) ecuaciones, entonces se debe tener seis incógnitas, por lo tanto,
se debe conocer cuatro de las diez variables que tiene el circuito.
Las variables son las siguientes:
Vcc
Ic
I1
I2
Ib
Rc
R
R1 R 2 B
En éste circuito específicamente se pueden conocer los siguientes datos:
Vcc y B, como valores de la fuente y factor de amplificación de corriente del transistor,
respectivamente.
R1 y R2 , se pueden conocer, con solo medir los valores de la resistencia del sensor en los
casos de “iluminación” (con luz = R2 ), y de “oscuridad” (sin luz = R1 ).
Por tanto, las incógnitas son las siguientes:
R; Rc; Ic; Ib; I1 ; I2
4
1.2.2 DISEÑO DEL CIRCUITO CON SENSOR
Considerando las seis ecuaciones del sistema y los datos de entrada, el diseño del circuito
es el siguiente:
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2
De la Ecuación:
Vcc = I2 R + 0.2
Se obtiene:
R = (Vcc – 0.2) / I2
De la Ecuación:
0.8 = I1 R1
Se obtiene:
I1 = 0.8 / R1
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
Ib = (Vcc – 0.8) / R - I1
La Inecuación:
Ib >= Ic / B
Se puede convertir en una ecuación que cumpla con la condición de “mayor ó igual”, para
este circuito se utiliza el factor 2, es decir, que por “mayor” se reemplaza el valor de 2. Por
tanto.
5
De la Ecuación:
Ib = 2 Ic / B
Se obtiene:
Ic = B * Ib / 2
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Rc = (Vcc – 0.3) / Ic
Ejemplo de Diseño:
Datos:
Vcc = 5 v
B = 100
R1 = 40 K
R2 = 2 K
Solución (diseño):
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2 = 0.2 / 2
I2 = 0.1 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = I2 R + 0.2
Se obtiene:
R = (Vcc – 0.2) / I2 = (5 – 0.2) / 0.1
R = 48 K
Normalizado:
R = 47 K
6
De la Ecuación:
0.8 = I1 R1
Se obtiene:
I1 = 0.8 / R1 = 0.8 / 40
I1 = 0.02 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
Ib = (Vcc – 0.8) / R - I1 = (5 – 0.8) / 47 - 0.02
Ib = 0.07 (mA)
De la Ecuación:
Ib = 2 Ic / B
Se obtiene:
Ic = B * Ib / 2 = 100 * 0.07 / 2
Ic = 3.5 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Rc = (Vcc – 0.3) / Ic = (5 – 0.3) / 3.5
Rc = 1.34 K
Normalizando:
Rc = 1.2 K
La prueba, mediante simulador, del circuito se observa en la Fig. 3. Donde se mide el
voltaje de salida, entre colector y tierra. Se supone que para el caso de R2, el voltaje de
salida debe ser Vcc, es decir, muy próximo a 5 voltios. Para el caso de R1, el voltaje de
salida debe ser aproximadamente 0 voltios.
7
Fig.3 Prueba del Circuito; (a) Con R2; (b) Con R1.
Como se observa en los resultados del simulador, se cumple lo calculado en el diseño del
circuito.
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1.3
RELES
Los relés son dispositivos de cuatro o más terminales, que se utilizan en los circuitos,
donde se requiere aislamiento, entre el circuito de control y el circuito controlado, es decir,
entre lo que se denominaría los terminales de alimentación y los terminales de contacto del
Relé. En la Fig.4 se muestra el símbolo del Relé básico.
a
a: Terminal de Alimentación
b: Terminal de Alimentación
x
x: Terminal de Contacto
y
y: Terminal de Contacto
z
z: Terminal de Contacto
b
Fig. 4 Símbolo del Relé.
Los terminales de alimentación (terminales de “entrada”) son los que se utilizan para
proporcionar corriente al dispositivo, estos dispositivos funcionan con un voltaje
determinado por el fabricante. Estos voltajes suelen ser, según el caso, 6 – 9 – 12 – 15 – 18
– 24 – 48 voltios.
Los reles, si bien tienen un voltaje nominal de funcionamiento, pueden funcionar dentro de
un rango de valores que tienen como punto medio el voltaje nominal. Ejemplo:
Voltaje de Funcionamiento = Vab = 6 (v)
El dispositivo puede, aun funcionar con los siguientes voltajes:
Desde 4,5 (v) hasta 7,5 (v), esto indica que el Rele puede funcionar con una variación del
+- 25 % del voltaje nominal.
9
Si el valor de voltaje que se aplique al rele es menor a 4,5, es posible que el dispositivo no
funcione, y si se utiliza un valor mayor a 7,5 voltios, se corre el riesgo de que el rele se
“queme”.
Los terminales de contacto (terminales de “salida”), son los que se utilizan para realizar el
contacto de dos terminales que pertenecen a otro circuito, que puede ser el circuito que se
controla mediante el rele.
Estos terminales del rele, (x y z) se conectan solamente de dos formas:
a) Los terminales: y con x (o sea que
y - x representan un cortocircuito)
b) Los terminales: y con z (o sea que
y - z representan un cortocircuito)
Esto significa que en ningún caso el terminal y esta libre, es decir, siempre esta conectado
al terminal x ó al terminal z.
El cambio (conmutación) de la forma (a) a la forma (b), se realiza cuando el dispositivo es
activado, es decir, cuando se aplica voltaje sobre el rele.
De lo anterior, se establece que el Rele tiene fundamentalmente dos parámetros
importantes, estos son:
Vab = Voltaje de Alimentación (“voltaje de funcionamiento del rele”)
Zab = Impedancia de Alimentación (“resistencia del rele”)
Ambos parámetros están definidos por el fabricante, esto significa lo siguiente:
No existen reles para todos los valores, ya sea de voltaje ó impedancia
Pueden presentarse reles del mismo valor de voltaje (Vab) pero de diferente valor de
impedancia.
10
1.3.1
ANALISIS DE UN CIRCUITO CON SENSOR Y RELE
Considerando el circuito de la Figura 2, donde, la resistencia de colector está reemplazada
por un Rele, que presenta al circuito su resistencia Zab, en lugar de Rc. Esto significa que
si se cumplen las siguientes condiciones:
Vcc = Vab = Voltaje de Alimentación del Rele
Rc = Zab = Impedancia que presenta el Rele
Las ecuaciones obtenidas anteriormente no cambian, estas ecuaciones son:
Ecuaciones para el Estado de Corte:
Vcc = I 2 R + 0.2
0.2 = I 2 R 2
Ecuaciones para el Estado de Saturación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
0.8 = I1 R1
Ic ³
Ic
b
La solución del sistema de seis ecuaciones, ahora debe tomar en cuenta que los parámetros
del Rele (Vab y Zab), representan datos, por tanto, se deben añadir dos datos más, estos
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serán el B del transistor y uno de los valores del sensor, en la mayoría de los casos R2,
debido a que este valor es el que se obtiene a la luz ambiente, donde se instalará el sistema.
1.3.2
DISEÑO DE UN CIRCUITO CON SENSOR Y RELE
Considerando el análisis realizado para este circuito, el diseño es el siguiente:
Datos:
Vcc = Vab = 5 v
B = 100
Rc = 0,5 K
R2 = 1 K
Solución (diseño):
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2 = 0.2 / 1
I2 = 0.2 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = I2 R + 0.2
Se obtiene:
R = (Vcc – 0.2) / I2 = (5 – 0.2) / 0.2
R = 24 K
Normalizado:
R = 24 K
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Ic = (Vcc – 0.3) / Rc = (5 – 0.3) / 0.5
12
Ic = 9.4 (mA)
Ic = 9.4 (mA)
De la Ecuación:
Ic ³
Ic
b
Ib = 2 Ic / B
Se obtiene:
Ib = 2 * 9.4 / 100
Ib = 0.188 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib = (5 – 0.8) / 24 - 0.188
I1 = - 0.013 (mA)
De la Ecuación:
0.8 = I1 R1
Se obtiene:
R1 = 0.8 / I1 = 0.8 / (- 0.013)
R1 = - 61 k
Como este valor de resistencia no existe (por ser negativo), entonces se tiene dos opciones:
a)
El circuito NO se puede diseñar, con los datos planteados
b)
Se debe cambiar alguna relación, si esto es posible
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La segunda opción, cambiar alguna relación es posible, ya que la última ecuación, en
realidad inecuación era:
Ic ³
Ic
b
donde la relación
Mayor ó Igual se sustituía por el valor de 2 , ahora, debido a la
exigencia del circuito, se la puede reducir a 1.5 , sin olvidar que el mínimo valor al cual se
puede reducir es a 1 , para cumplir con la inecuación.
Con este cambio (de 2 por 1.5) se reinicia el diseño del circuito, y se tiene lo siguiente:
Datos: (se mantiene los datos iniciales)
Vcc = Vab = 5 v
B = 100
Rc = 0,5 K
R2 = 1 K
Solución (diseño):
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2 = 0.2 / 1
I2 = 0.2 (mA)
Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Vcc = I2 R + 0.2
Se obtiene:
14
R = (Vcc – 0.2) / I2 = (5 – 0.2) / 0.2
R = 24 K
Normalizado:
R = 24 K
Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Ic = (Vcc – 0.3) / Rc = (5 – 0.3) / 0.5
Ic = 9.4 (mA)
Ic = 9.4 (mA)
Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Ic ³
Ic
b
Ib = 1.5 Ic / B
Se obtiene:
Ib = 1.5 * 9.4 / 100
Ib = 0.141 (mA)
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, es un valor MENOR al anterior.
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib = (5 – 0.8) / 24 - 0.188
I1 = 0.034 (mA)
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es POSITIVO
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De la Ecuación:
0.8 = I1 R1
Se obtiene:
R1 = 0.8 / I1 = 0.8 / (0.034)
R1 = 23 k
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es FACTIBLE, y
por tanto, el circuito se puede implementar. No se debe olvidar cumplir que R1 > R2.
Fig.4 Prueba del Circuito; (a) Con R2; (b) Con R1.
La prueba, mediante simulador, del circuito se presenta en la Fig. 4. Donde se debe
observar los terminales del Rele. Se supone que para el caso de R2, los terminales deben
estar conectados entre el terminal del centro y terminal inferior y para el caso de R1, el
terminal del centro debe estar conectado con el terminal superior. Esto significa que existe
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un cambio en el estado del Rele, es decir, que con R2 el Rele esta en reposo (no activo),
debido a que el transistor esta en corte, y con R1 el Rele se activa, debido a que el transistor
se satura y ,por tanto, se tiene voltaje (Vcc) sobre el Rele.
Fig. 5 Ejemplo de Aplicación del circuito con Sensor – Rele – Foco: (a) Circuito con
R2; (b) Circuito con R1.
Una aplicación del circuito analizado y diseñado, es el del control de encendido y apagado
de luminarias en forma automática, este circuito se puede observar en la Fig. 5. Donde se
cumple las siguientes condiciones.
a)
El sensor es de coeficiente negativo.
b)
R2 es el valor de resistencia del sensor cuando se tiene incidencia de luz sobre el
mismo.
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c)
R1 es el valor de resistencia del sensor cuando no se tiene incidencia, por tanto, se
cumple que R1 > R2.
d)
Con R2 (con luz, sobre el sensor) el transistor se corta, por tanto, el rele no funciona
y el foco no se enciende.
e)
Con R1 (sin luz, sobre el sensor) el transistor esta en saturación, por tanto, el rele
funciona y el foco se enciende.
Circuito que se utiliza en el control de encendido y apagado de luminarias, del alumbrado
público.
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TEXTO DE SEMICONDUCTORES ESPECIALES
CAPITULO 2: TRANSISTOR DE UNIJUNTURA
2.1
GENERALIDADES
El Transistor de Unijuntura (UJT), como se enuncia es un transistor que presenta una sola
juntura, a diferencia de los transistores bipolares, que tienen, por ejemplo, dos junturas, ya
sea el caso de NPN ó PNP.
La función principal del UJT, es la de generar señales, estas pueden ser del tipo de onda de
sierra ó un tren de pulsos, este último caso es el que interesa a los circuitos que se analizan
en el texto.
B2
E
B2
V
E
B1
B1
I
(a)
(b)
(c)
Fig. 2.1 Transistor Unijuntura; (a) Símbolo; (b) Circuito Equivalente; (c) Curva
Característica.
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En la Fig. 2.1a, se observa el símbolo del UJT, donde se presenta los tres terminales del
dispositivo, estos son Emisor ; Base 1 y Base 2, este símbolo ya muestra la diferencia de
este tipo de transistor con los transistores bipolares, puesto que no se tiene el terminal del
colector, es su lugar se presenta otra base.
En la Fig.2.1b, se presenta el circuito equivalente del UJT, este muestra una resistencia
variable entre bases, denominada rbb, esta resistencia suele estar en el siguiente rango de
valores:
4 K £ rbb £ 9 K
Este valor depende del punto de trabajo del transistor y de sus características propias del
mismo. Se debe considerar que la resistencia interbases, es la suma de las resistencias de
cada base, respecto al punto medio, es decir, que se tienen dos resistencias, que son:
rb1: Resistencia de Base 1
rb2: Resistencia de Base 2
Por tanto:
rbb = rb1 + rb2
Un parámetro importante que se deriva de estas resistencias es el denominado “eta”, que
esta dado por la siguiente expresión:
h =
rb 1
rb 1
+ rb
2
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De la expresión de “eta”, se establece que su valor es siempre menor a la unidad.
En la Fig. 2.1c, se observa la curva característica del UJT, donde se presenta una zona de
trabajo en que la curva tiene una pendiente negativa, esto indica, que a medida que la
corriente aumenta el voltaje disminuye, o viceversa. De este comportamiento es que al UJT,
así como a otros componentes de similar característica, se los denominan dispositivos de
“Resistencia Negativa”.
Este comportamiento no contradice la Ley de Ohm, donde sí aumenta la corriente aumenta
la resistencia, sino que el componente reduce su impedancia, razón por la que en el circuito
equivalente se dibuja un potenciometro entre bases.
2.2 CIRCUITO CON UJT
El circuito base que se analizará, es el que se muestra en la Fig. 2.2.
Vcc
R
Ra
C
Rb
Fig. 2.2 Circuito con Transistor de Unijuntura.
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Las consideraciones de diseño que se realizan para el análisis del circuito de la Fig. 2.2, son
las siguientes:
Ra + Rb << rbb
Vcc - Vp
Vcc - Vv
£R£
Ip
Iv
Donde:
Vcc: Voltaje de Alimentación del circuito
Vp: Voltaje Pico, se obtiene, de la curva característica del UJT
Vv: Voltaje de Valle, se obtiene, de la curva característica del UJT
Ip: Corriente Pico, se obtiene, de la curva característica del UJT
Iv: Corriente de Valle, se obtiene, de la curva característica del UJT
Sin embargo, lo anterior representa un serio problema de información para el diseñador, es
decir, que es muy difícil obtener los valores antes citados, dicho de otro modo,
generalmente no se dispone de la curva característica del UJT que utilizará. Por tanto, se
debe considerar un rango de valores para R, que permitan al diseñador realizar el prediseño,
este rango de valores fue obtenido de manera experimental, por el autor del presente Texto.
33 K £ R £ 100 K
Este rango de valores para R, permite con un alto grado de seguridad (> 90 %) realizar el
prediseño del circuito, pero, de ninguna manera excluye la posibilidad de utilizar otros
valores que estén fuera del rango, esto significa que, por ejemplo, existen UJT que pueden
funcionar con un valor de R = 5 K, u otros que pueden funcionar con R = 220 K, sólo que
como el diseñador no conoce la curva característica, entonces corre el riesgo que el UJT
22
que utilice no funcione con esos valores, mientras que si utiliza los valores del rango
propuesto, es prácticamente seguro que el circuito funciona.
En cuanto a los valores de Ra y Rb, estos no representan mayor problema, ya que se puede
utilizar como referencia el mínimo valor de la resistencia interbase, esto significa lo
siguiente:
Ra + Rb << 4 K
Por tanto:
Ra = Rb = 0.2 K
También se puede dar el caso siguiente:
Ra = 0 ; Rb = 0.47 K
Este caso se presenta, cuando no se requiere la señal que se obtiene en el terminal de la
Base 2, esto se explicará con más detalle, más adelante.
Definidas las condiciones básicas, se procede al análisis del circuito de la Fig. 2.2.
El transistor de Unijuntura presenta dos opciones de comportamiento, que son las
siguientes:
a) Cuando el Voltaje entre Emisor - Base 1, es menor a:
VE - B1 < hVcc + 0.6
El UJT (No funciona) se comporta como si fuera una resistencia pasiva (rbb) entre bases, sin
permitir el paso de corriente por Emisor, algo parcialmente similar, al caso del transistor
bipolar cuando esta en corte.
23
b) Cuando el voltaje Emisor – Base 1, es igual a:
VE - B1 = hVcc + 0.6
En este caso el UJT (funciona), permite el paso de corriente de Emisor a Base 1, además la
resistencia interbases se reduce notablemente, presentando un valor aproximado a:
r’bb << rbb
Entonces el circuito de la Fig. 2.2 se puede analizar planteando dos circuitos equivalentes,
uno para cada caso del valor de voltaje Emisor – Base 1.
Fig. 2.3 Circuitos Equivalentes; (a) Cuando el UJT no funciona; (b) Cuando el UJT
funciona.
24
2.2.1 ANALISIS DE ONDAS DEL CIRCUITO
Las señales en Emisor; Base 1; Base 2, del circuito de la Fig. 2.2, se obtienen en base a los
circuitos de la Fig. 2.3, esto significa que se tendrá tramos que corresponda al circuito de la
Fig. 2.3a y otros al circuito de la Fig. 2.3b., es decir, para cuando el UJT no funciona y para
cuando el UJT funciona. Todos los voltajes están referidos a tierra.
VE
VB1
T
VB2
NO
SI
NO
SI
NO
SI
Fig. 2.4 Diagramas de Ondas que produce el Circuito con UJT.
La explicación del como se obtienen las ondas de la Fig. 2.4, se realizará, analizando los
tramos (cuando el UJT no funciona y cuando el UJT funciona), por separado.
a) CUANDO EL UJT NO FUNCIONA
Al conectar la alimentación al circuito, esta claro que el voltaje Emisor – Base 1, es cero,
debido a que el condensador recién empieza a cargarse, por tanto, el UJT no funciona,
25
entonces el análisis comienza con este estado del transistor, o sea con las señales que la Fig.
2.3a genera.
VOLTAJE EN EMISOR
El circuito de la Fig. 2.3a presenta una red R – C alimentada por una tensión de corriente
continua Vcc, por tanto, el voltaje de Emisor, es el mismo que el voltaje sobre el
condensador, que representa la carga del mismo, es por esta razón que en los tramos de NO
funcionamiento del UJT, la señal en Emisor, es la misma que la de la carga del
condensador.
VOLTAJE EN BASE 1
El voltaje en Base 1, se obtiene, por simple divisor de tensión entre las tres resistencias que
se observan en lado derecho de la Fig. 2.3a , es necesario recordar que los valores de las
resistencias Ra y Rb son similares, pero sin embargo la suma de estas es mucho menor que
el valor de la resistencia interbases, rbb. Entonces, por divisor de tensión se establece que
este valor es cercano a cero.
Con la finalidad de aclarar, este análisis, se realizará un ejemplo numérico, partiendo de los
siguientes valores:
Ejemplo:
Ra = 0.2 K
Rb = 0.2 K
rbb = 5 K
Vcc = 10 v
Por divisor de tensión, el voltaje en Base 1, o lo que es lo mismo sobre Rb es:
VRb =
Rb
0.2
Vcc =
10
Rb + rbb + Ra
0.2 + 5 + 0.2
VRb = 0.4 v (que es un valor despreciable frente a Vcc)
26
VOLTAJE EN BASE 2
Considerando los mismos criterios, sobre las resistencias, que en el caso del voltaje de Base
1, se deduce que el voltaje en Base 2, es prácticamente el valor de Vcc, ya que es sobre la
resistencia rbb, donde se tiene la mayor caída de voltaje.
Al igual que en el caso anterior, con la finalidad de aclarar, este análisis, se realizará un
ejemplo numérico, partiendo de los siguientes valores:
Ejemplo:
Ra = 0.2 K
Rb = 0.2 K
rbb = 5 K
Vcc = 10 v
Por divisor de tensión, el voltaje en Base 2 es:
VB 2 =
rbb + Rb
5 + 0.2
Vcc =
10
Rb + rbb + Ra
0.2 + 5 + 0.2
VB2 = 9.6 v (que es prácticamente el valor de Vcc)
b) CUANDO EL UJT FUNCIONA
Cuando el voltaje sobre el condensador, (que es prácticamente el mismo que el de Emisor)
llega al valor que hace funcionar al UJT, se obtiene las ondas de los otros tramos, bajo el
siguiente análisis.
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VOLTAJE EN EMISOR
El circuito de la Fig. 2.3b presenta una red R – C alimentada por una tensión de corriente
continua Vcc, por tanto, el voltaje de Emisor, es el mismo que el voltaje sobre el
condensador, que representa en este caso la descarga del mismo, es por esta razón que en
los tramos de funcionamiento del UJT, la señal en Emisor, es la misma que la de la
descarga del condensador.
VOLTAJE EN BASE 1
El voltaje en Base 1, se obtiene, por simple “divisor de tensión” entre las tres resistencias
que se observan en lado derecho de la Fig. 2.3b , es necesario recordar que los valores de
las resistencias Ra y Rb son similares, mientras que el valor de la resistencia interbases, rbb,
ahora se reduce a r’bb que es un valor mucho menor que el de rbb. Por tanto, el voltaje en
Base 1, se incrementa notablemente, además este incremento se debe a que el condensador
se descarga a través de la resistencia Rb.
Con la finalidad de aclarar, este análisis, se realizará un ejemplo numérico, partiendo de los
siguientes valores:
Ejemplo:
Ra = 0.2 K
Rb = 0.2 K
r’bb = 0.5 K << rbb
Vcc = 10 v
Haciendo abstracción de la corriente de descarga del condensador, y de manera aproximada
se calcula el voltaje, por divisor de tensión:
VRb =
Rb
0.2
Vcc =
10
Rb + r 'bb + Ra
0.2 + 0.5 + 0.2
VRb = 2.2 v (que es un valor bastante más alto que el otro tramo, es decir, cuando el UJT no
funcionaba)
28
VOLTAJE EN BASE 2
Considerando los mismos criterios, sobre las resistencias, que en el caso del voltaje de Base
1, se deduce que el voltaje en Base 2, es prácticamente el valor de Vcc, ya que es sobre la
resistencia rbb, donde se tiene la mayor caída de voltaje.
Al igual que en el caso anterior, con la finalidad de aclarar, este análisis, se realizará un
ejemplo numérico, partiendo de los siguientes valores:
Ejemplo:
Ra = 0.2 K
Rb = 0.2 K
r’bb = 0.5 K << rbb
Vcc = 10 v
Por divisor de tensión, el voltaje en Base 2 es:
VB 2 =
rbb + Rb
0.5 + 0.2
Vcc =
10
Rb + rbb + Ra
0.2 + 0.5 + 0.2
VB2 = 7.7 v (que es un valor menor al que se obtenía en el otro tramo, es decir, cuando el
UJT no funcionaba)
2.2.2 ANALISIS DE FRECUENCIA DE PULSOS
La frecuencia de pulsos que genera el circuito en Base 1, se obtiene del siguiente análisis.
El periodo T (sin tomar en cuenta un pequeño desfase en el tiempo del primer pulso) es la
suma de los tiempos de carga y descarga del condensador.
T = T 1 + T2
29
Donde:
T1 : Tiempo de carga del condensador
T2 : Tiempo de descarga del condensador
Sin embargo, analizando la constante de tiempo de cada uno de los casos, es decir, de
cuando no funciona ó cuando funciona el UJT, se puede establecer los siguientes aspectos:
a) La constante de tiempo del circuito, cuando no funciona el UJT, es igual a:
t = Rx * Cx
donde:
Rx = R
Cx = C
b) La constante de tiempo del circuito cuando el UJT funciona, es igual a:
t = Ry * Cy
donde:
Ry = Rb // (r’bb + Ra) // R (valor aproximado)
Cy = C
Entonces, como:
Rx >> Ry
El tiempo de descarga del condensador es prácticamente despreciable, frente al tiempo de
carga, por tanto, el periodo de la señal se reduce al tiempo de carga del condensador.
T » T1
30
El tiempo de carga del condensador esta incluida en la siguiente ecuación:
Vc = (1 - e
-
T1
RC
)Vcc
Como el voltaje Vc, es prácticamente el voltaje de Emisor – Base 1, del UJT, entonces se
puede igualar esta expresión de Vc a la expresión del voltaje de disparo del UJT, por tanto,
se obtiene la siguiente ecuación:
hVcc + 0.6 = (1 - e
-
T1
RC
)Vcc
de donde, considerando que T = T1 , se tiene:
æ
ö
Vcc
÷÷
T = RC * ln çç
è Vcc (1 - h ) - 0.6 ø
En muchos circuitos de este tipo, se puede cumplir con:
Vcc(1 - h ) >> 0.6
y
h » 0.65
Sí lo anterior se cumple, entonces se puede llegar a:
T » RC
Por tanto, la frecuencia de pulsos estará dado por:
F»
1
RC
31
Sin mucho error, y siempre con la posibilidad de realizar ajuste, se puede utilizar estas dos
ecuaciones para el diseño de los circuitos con el transistor de unijuntura.
2.3 DISEÑO CON UJT
Los circuitos con UJT se diseñan en base a las ecuaciones anteriormente obtenidas, como
ejemplos se desarrollará el diseño de dos casos.
a) Diseñar un circuito con UJT para:
T = 1 (seg):
Vcc = 15 (v);
Ra = Rb = 0.22 K;
R = 50 K
Diseño:
Como T = 1, entonces de la ecuación de T se despeja C, por tanto, se tiene:
C = T / R = 1 / (50 * 103 )
C = 20 * 10-6
C = 20 (uF)
b) Diseñar un circuito con UJT para:
F = 1 (KHz): Vcc = 15 (v);
Ra = Rb = 0.22 K;
R = 50 K
Diseño:
Como F = 103 , entonces de la ecuación de F se despeja C, por tanto, se tiene:
C = 1 / ( F * R ) = 1 / (103 * 50 *103 )
C = 20 * 10-9
C = 20 (nF)
32
Con los resultados obtenidos, se puede implementar el circuito de la Fig. 2.5.
15 v
50 K
0.22 K
0.22 K
20 (nF)
20 (uF)
Fig. 2.5 Circuito del Ejemplo de Diseño.
Este circuito, tiene la particularidad, de que, puede cambiar su periodo ó frecuencia de
trabajo en un orden de tres magnitudes (de 1 Hz a 1000 Hz) con sólo cambiar el valor del
condensador. Por supuesto, se pueden diseñar circuitos donde el cambio se frecuencia ó
periodo se realice mediante la variación de una resistencia (potenciómetro), esto se observa
en la Fig. 2.6.
Los valores utilizados son los siguientes:
Vcc = 15 v
Ra = Rb = 0.22 K
R’ = 33 K
Rpot = 50 K
Se considera que:
33
R = R’ + Rpot
C = 100 * 10-6 = 100 (uF)
a) Cuando Rpot = 0
El valor del periodo es:
T = R * C = R’ * C = 33 *103 * 100 * 10-6
T = 3.3 (seg)
b) Cuando Rpot = 50 K
El valor del periodo es:
T = R * C = (R’+ Rpot) * C = (33 + 50) *103 * 100 * 10-6
T = 8.3 (seg)
Vcc
R’
Ra
Rpot
C
Rb
Fig. 2.6 Circuito con R variable.
34
Por los resultados obtenidos de los cálculos previos, se observa, que la variación del
periodo supera en más del 100 %, el valor mínimo obtenido.
Si al circuito anterior se añadiera la posibilidad de cambiar los valores de los
condensadores, se tendría un cambio de escala en cada caso, y entonces, el circuito
presentaría una amplia variedad de valores de T.
2.4
EL TRANSISTOR DE UNIJUNTURA PROGRAMABLE (PUT)
Existe un dispositivo que permite variar (programar) el valor de eta, es decir, la relación de
las resistencias interbases del transistor. Razón por la cual se denomina a este transistor,
Transistor Unijuntura Programable, aunque su comportamiento se asemeja más al de un
Tiristor, dispositivo que será objeto de análisis en el siguiente capítulo.
35
TEXTO DE SEMICONDUCTORES ESPECIALES
CAPITULO 3: RECTIFICADOR CONTROLADO
DE SILICIO ( SCR)
3.1 GENERALIDADES
En el campo de la Electrónica Industrial, existe todo grupo de dispositivos especiales, que
se denominan Tiristores, el dispositivo que se analizará en este capítulo es uno de estos
denominados Tiristores.
El Rectificador Controlado de Silicio, comúnmente conocido por sus siglas SCR, es un
dispositivo, que fundamentalmente es un Diodo Rectificador, con la posibilidad que tener
un control sobre su funcionamiento, es decir, que el usuario define, cuando el SCR
funciona como un rectificador.
Anodo
I
Compuerta
Cátodo
(a)
V
(b)
Fig. 3.1 El SCR; (a) Símbolo del SCR; (b) Curva Característica.
36
En la Fig. 3.1a se observa que el SCR, tiene tres terminales, dos de los cuales representan al
diodo, y un tercero que es el terminal de control (compuerta = gate).
En la Fig. 3.1b, se presenta la curva característica del SCR, que muestra, al igual que en un
diodo común, la necesidad de un cierto valor de voltaje para su disparo, sin embargo,
mientras que en un diodo común, casi se mantiene constante el voltaje Anodo – Cátodo, en
este caso el voltaje es variable en función de la corriente que circula por estos terminales.
3.2 FUNCIONAMIENTO
Con la finalidad de estudiar el funcionamiento del SCR, previamente se presenta un circuito
equivalente simulado.
El SCR se puede representar bajo el siguiente circuito equivalente simulado, este circuito
sirve para el análisis del comportamiento del SCR, en tres tiempos, estos son: ANTES,
DURANTE y DESPUES del Pulso de Disparo
Vz = 0
Vi
+
Anodo
Este circuito muestra el caso de
ANTES del pulso de DISPARO
Como se observa, no existe lazo
para que circule la corriente, por
tanto, el VOLTAJE sobre la carga
es nulo. (Vz = 0).
Compuerta
Cátodo
(a)
37
Vz = Vi
Vi
+
Anodo
Este circuito muestra el caso de
DURANTE el pulso de DISPARO
Como se observa, existe dos lazos
para que circule la corriente, por
tanto, el VOLTAJE sobre la carga
es máximo. (Vz = Vi).
Compuerta
Cátodo
(b)
Vz = Vi
Vi
+
Anodo
Este circuito muestra el caso de
DESPUES del pulso de DISPARO
Como se observa, existe un lazo
para que circule la corriente, por
tanto, el VOLTAJE sobre la carga
sigue siendo máximo. (Vz = Vi).
Compuerta
Cátodo
(c)
Fig. 3.2 Circuito Equivalente Simulado del SCR; (a) ANTES del Pulso de Disparo; (b)
DURANTE el Pulso de Disparo; (c) DESPUES del Pulso de Disparo.
38
El circuito simulado del SCR, presenta las siguientes características:
Ø Un Diodo Rectificador, que realiza precisamente la función de rectificar.
Ø Un Rele que simula la función de conducción o no conducción del SCR, es decir,
cuando el SCR no conduce el Rele presenta la condición de Contactos Abiertos, y
cuando el SCR conduce presenta la condición de Contactos Cerrados.
Ø Un Pulsador simulado, que representa la Compuerta, esto significa, que cundo se
introduce un Pulso ó Nivel a la Compuerta del SCR, es como si se estuviera
accionando el Pulsador, y cuando no se tiene el pulso ó nivel, es como si el Pulsador
estuviera abierto.
Con estas precisiones, es que ahora se analizará el comportamiento del SCR, en tres
tiempos, Antes, Durante y Después del Pulso de Disparo.
Como se observa en la Fig. 3.2 el SCR:
ANTES del pulso de disparo (Fig. 3.2a) se presenta como un circuito abierto, debido a que
el Pulsador esta abierto, y por tanto, no se tiene un lazo para que circule la corriente,
entonces, el voltaje sobre la carga es nulo.
DURANTE el pulso de disparo a la compuerta, el SCR, es como sí el Pulsador estuviera
accionado, lo que “crea” un lazo , con lo que permite la circulación de corriente, por el
Rele, que a su vez crea otro lazo de circulación de corriente, teniendo como resultado dos
lazos para la circulación de corriente y, por tanto, se tiene un voltaje sobre la carga, que es
prácticamente el voltaje de alimentación, puesto que se supone que el voltaje Anodo –
Cátodo, es despreciable, en relación al voltaje de alimentanción.
DESPUES del pulso de disparo, sucede el equivalente de tener otra vez al Pulsador abierto,
lo que significa, que se corta uno de los lazos de circulación de corriente, sin embargo, al
permanecer el otro lazo mediante el Rele, el sistema sigue permitiendo la circulación de
corriente, y por tanto, el SCR sigue en estado de conducción. Este funcionamiento del SCR,
aún después del Pulso de disparo, permite que se diga del SCR, que es un dispositivo que
39
una vez disparado, se mantiene en ese estado indefinidamente, hasta que se lo bloquee.
Concepto (bloqueo del SCR) que se desarrollará mas adelante.
3.2.1
CUANDO EL SCR NO CONDUCE
Cuando el SCR no conduce, se comporta como un circuito abierto, de manera muy similar
al diodo inversamente polarizado. Además es necesario recordar que el SCR, es
básicamente un diodo. Este estado de no conducción, también se denomina estado de
Bloqueo, por tanto, cuando el SCR no conduce, se dice que esta bloqueado.
Fig. 3.3 Circuito con SCR; (a) Circuito; (b) Circuito cuando el SCR no conduce.
3.2.2 CUANDO EL SCR CONDUCE
Se tiene dos opciones para que el SCR pase del estado de no conducción al estado de
conducción, dicho de otra manera, existe dos formas de “hacer” conducir al SCR, estas son
la siguientes:
3.2.2.1 DISPARO POR ANODO – CATODO
El SCR pude conducir cuando el voltaje Anodo – Cátodo, es muy alto, esto significa que la
tensión aplicada al circuito es de un valor muy superior al que se requiere para su normal
40
funcionamiento. Esta forma de hacer funcionar (conducir) al SCR, generalmente no se
aconseja, ni se utiliza, por los riesgos que se puede tener para el dispositivo y la carga.
Fig. 3.4 Disparo por Voltaje de Anodo – Cátodo; (a) Voltaje normal de Alimentación,
el SCR no conduce; (b) Alto Voltaje de Alimentación, el SCR conduce.
En la Fig. 3.4, se observa el caso analizado, es decir, el disparo del SCR por voltaje de
Anodo- Cátodo. El circuito de la Fig. 3.4a muestra un voltaje sobre la carga ( Z ) casi nulo,
esto significa que el SCR no conduce, mientras que el circuito de la Fig. 3.4b, si presenta
un voltaje sobre la carga ( Z ) similar al voltaje de alimentación, lo cual implica que el SCR
esta en estado de conducción.
41
3.2.2.2 DISPARO POR COMPUERTA (GATE)
El SCR conduce si se aplica un pulso ó nivel a su compuerta, esta es la forma más
generalizada de lograr que un SCR conduzca. El pulso ó nivel que se aplica a la compuerta,
se puede obtener de diversas maneras, por ejemplo:
Ø Por Divisor de Tensión
Ø Voltaje o Pulso del Colector del transistor de un circuito con sensor
Ø Pulso de Base 1, del circuito con UJT
Ø Pulso ó Nivel de un circuito con el Integrado 555
Ø Circuitos Digitales
Ø Circuitos con Optoacopladores
Ø Circuitos con Microcontroladores
Ø Circuitos de Interfaces
El SCR, más que un nivel de voltaje, en su compuerta, para su disparo, lo que requiere es
un “inyección” de corriente por compuerta, esta corriente debe ser proporcional a la
corriente que se espera que circule por Anodo – Cátodo, que es la misma corriente que debe
circular por la carga.
En los circuitos que se muestran a continuación, se puede apreciar algunos ejemplos de
disparo del SCR por compuerta.
Disparo por Divisor de Tensión
Disparo por Circuito de Transistor con Sensor
Disparo por Circuito Digital
42
Fig. 3.5 Circuito de Disparo por Divisor de Tensión; (a) Sin Disparo del SCR; (b) Con
Disparo del SCR.
En la Fig.3.5 se observa el caso de disparo por divisor de tensión, es decir, que se aplica un
voltaje (nivel) a la compuerta del SCR El circuito de la Fig. 3.5a muestra un voltaje sobre
la carga ( Z ) casi nulo, esto significa que el SCR no conduce, esto debido a que no existe
una conexión entre el Divisor de Tensión y la Compuerta del SCR, mientras que el circuito
de la Fig. 3.5b, si presenta un voltaje sobre la carga ( Z ) similar al voltaje de alimentación,
lo cual implica que el SCR esta en estado de conducción, por que, se conectó el punto
medio del Divisor de Tensión al terminal de la Compuerta del SCR.
43
Fig. 3.6 Circuito de Disparo por Circuito con Sensor - Transistor; (a) Sin Disparo del
SCR, Transistor en Saturación; (b) Con Disparo del SCR, Transistor en Corte.
En la Fig.3.6 se observa el caso de disparo por Circuito con Sensor – Transistor (diseñado y
utilizado en el Capítulo 1), es decir, que se aplica un voltaje (nivel) a la compuerta del SCR,
que se obtiene del Colector del Transistor. El circuito de la Fig. 3.6a muestra un voltaje
sobre la carga ( Z ) casi nulo, esto significa que el SCR no conduce, esto debido a que el
Transistor se encuentra en estado de Saturación, por tanto, el voltaje de Colector – Tierra,
que es el voltaje sobre la Compuerta del SCR es prácticamente nulo, mientras que el
circuito de la Fig. 3.6b, si presenta un voltaje sobre la carga ( Z ) similar al voltaje de
alimentación, lo cual implica que el SCR esta en estado de conducción, debido a que el
44
Transistor esta en estado de Corte, entonces, el voltaje de Colector – Tierra, es
prácticamente el voltaje de alimentación, por tanto, existe un voltaje sobre la Compuerta
del SCR y entonces este conduce.
Fig. 3.7 Disparo por Circuito Digital (Inversor); (a) Sin Disparo del SCR, salida del
Inversor “0” Lógico; (b) Con Disparo del SCR, salida del Inversor “1” Lógico.
En la Fig.3.7 se observa el caso de disparo por Circuito Digital (Inversor) , es decir, que se
aplica un voltaje (nivel) a la compuerta del SCR, que se obtiene de la salida del Inversor.
El circuito de la Fig. 3.7a muestra un voltaje sobre la carga ( Z ) casi nulo, esto significa
45
que el SCR no conduce, esto debido a que su entrada es “1” lógico, ó 5 (v), y por tanto, su
salida es 0 (v), que es el voltaje, que se aplica sobre la Compuerta del SCR, mientras que el
circuito de la Fig. 3.7b, sí presenta un voltaje sobre la carga ( Z ) similar al voltaje de
alimentación, lo cual implica que el SCR esta en estado de conducción, debido a que la
entrada al Inversor es “0” lógico, y por tanto, su salida es 5 (v), voltaje que se aplica a la
compuerta del SCR razón por la que el SCR conduce.
3.3
DIAGRAMAS DE ONDAS
Con la finalidad de complementar el análisis de circuitos de disparo con SCR, a
continuación se presenta, diagramas de ondas que se obtienen de estos circuitos.
El Circuito de Referencia será el de la Fig. 3.8.
Fig. 3.8 Circuito Referencial para el análisis de los Diagramas de Ondas.
Las ondas que se muestran en el análisis son las siguientes:
Vi: Señal de Alimentación
46
Vd: Pulsos o Voltajes que se Aplican a la Compuerta del SCR
Vz: Voltaje que se obtiene sobre la Carga
Ejemplo 1:
Vi
t
Vd
t
Vz
t
En este ejemplo, se tiene un voltaje de alimentación constante, por tanto, la salida (voltaje
de salida) es cero, mientras no exista el Pulso de disparo en la compuesta, sin embargo, a
partir de este pulso la salida se mantiene constante.
Ejemplo 2:
Vi
t
Vd
t1
t2
t
Vz
t
47
En este ejemplo, se tiene un voltaje de alimentación constante, por tanto, la salida (voltaje
de salida) es cero, mientras no exista el Pulso de disparo en la compuesta, sin embargo, a
partir de este pulso, en t1 , la salida se mantiene constante., el segundo pulso en t2 , no tiene
influencia en el circuito, puesto que, el SCR ya estaba en funcionamiento desde t1 .
Ejemplo 3:
Vi
t
Vd
t1
t2
t3
t
Vz
t
En este ejemplo, se tiene un voltaje de alimentación no constante, por tanto, la salida
(voltaje de salida) es cero, mientras no exista el Pulso de disparo en la compuesta, sin
embargo, a partir de este pulso, en t1 , la salida se mantiene, mientras el voltaje de
alimentación sea constante, cuando este voltaje deja de presentarse, entonces el SCR deja
de conducir. El segundo pulso en t2 , no tiene influencia en el circuito, puesto que en ese
instante no existe voltaje de alimentación, cuando se presenta el tercer pulso, en t3 ,
entonces el SCR vuelve a conducir, mientras exista el voltaje de alimentación.
3.4
CIRCUITOS DE BLOQUEO
Como se observó en el análisis de los circuitos anteriores, el SCR una vez que se dispara, se
mantiene funcionando. Por tanto, es muy necesario desarrollar circuitos que permitan el
48
Bloqueo del SCR, es decir, su desactivación. Por definición un SCR (tiristor en general)
se Bloquea cuando su voltaje Anodo – Cátodo es Menor a 0.6 voltios.
Voltaje de Bloqueo =>
VA-C < 0.6 v
Por supuesto que si se anula el voltaje de alimentación principal del circuito Vi, el SCR se
Bloquea, debido a que no existe corriente por Anodo – Cátodo, y por tanto, no existe
voltaje, cumpliendo con la definición anteriormente citada.
3.4.1 CIRCUITO DE BLOQUEO CON TRANSISTOR
Fig. 3.9 Circuito de Bloqueo con Transistor; (a) Circuito; (b) Con Vi = 0 => Vo = 5 v ;
(c) Con Vi = 5 v => Vo = 0 v.
El funcionamiento del circuito es el siguiente:
Cuando la entrada (Vi = 0) es nula, el transistor prácticamente esta en corte, por tanto,
representa un circuito abierto. Cuando la entrada (Vi = 5v) es un valor de voltaje el
49
transistor entra en saturación, por tanto, el voltaje Colector – Emisor, es nulo, en realidad,
es 0.3 v. Entonces, sí este circuito se acopla al circuito básico del SCR, se tiene, que el
Colector del Transistor esta acoplado al Anodo del SCR, y el Emisor del Transistor esta
conectado al Cátodo del SCR, que en realidad es el punto de Tierra. Esto se observa en la
Fig. 3.10.
Fig. 3.10 Circuito de Bloqueo del SCR con Transistor; (a) Cuando el SCR esta
Activado; (b) Cuando el SCR esta Bloqueado.
50
El circuito del la Fig. 3.10 funciona de la siguiente manera:
a) CUANDO LA ENTRADA AL CIRCUITO DE BLOQUEO ES NULA
En este caso el transistor (como se explico anteriormente) esta en el estado de CORTE,
por tanto, el circuito de Bloqueo no influye en el circuito principal del SCR, entonces el
SCR sí esta disparado (este el caso de la Fig. 3.10a) conduce, y por tanto el medidor de
corriente marca un valor.
b) CUANDO LA ENTRADA AL CIRCUITO DE BLOUEO EXISTE
En este caso el transistor esta en el estado de SATURACION (Voltaje Colector –
Emisor = 0.3 v), por tanto, el circuito de Bloqueo, “induce” un voltaje de = 0.3 voltios
entre Anodo – Cátodo del SCR, entonces el SCR se Bloquea, y por tanto, el medidor de
corriente marca un valor aproximado a cero, tal como se ve en la Fig. 3.10b.
Sin embargo, aún cuando el SCR este Bloqueado, el sistema sigue permitiendo que se tenga
voltaje sobre la carga (Z), como se ve en la Fig. 3.11a, es decir, la carga (Foco, Motor,
Calefactor, etc.) sigue funcionando, y es que la corriente de la carga, ahora circula por el
transistor (que esta en saturación), por tanto, para Bloquear el sistema se debe también
anular el transistor, esto significa que el transistor debe volver al estado de Corte, esto se
logra anulando el voltaje de entrada del circuito bloqueador, tal como se ve en la Fig. 3.11b.
Resumiendo, para Bloquear el sistema, con el circuito con Transistor, se debe utilizar un
Pulso en la entrada del circuito bloqueador, para de esta manera, prixmero bloquear al SCR
(a partir del pulso) y luego bloquear (estado de corte) al transistor, después del Pulso de
Bloqueo.
El hecho de que el transistor, por un momento, se convierte en el lazo de corriente para la
carga no significa, que deba ser de la misma potencia que el SCR, ya que precisamente este
paso de corriente es absolutamente efímero, por tanto, se puede utilizar la potencia pico del
transistor.
51
Fig. 3.11 Bloqueo del SCR y el Transistor; (a) Bloqueo del SCR; (b) Bloqueo del
Transistor y SCR.
Como se observa en la Fig. 3.11a, el voltaje sobre la carga es prácticamente la alimentación
principal, mientras que en la Fig. 3.11b, este voltaje se reduce notablemente, al punto que
no es suficiente para accionar la carga, no se debe olvidar que la carga puede ser un Motor,
un Foco, u otros dispositivos de alta potencia.
52
El diseño del Circuito de Bloqueo, debe tomar en cuenta que se esta acoplando a un circuito
de potencia (el del SCR), por tanto, es necesario que exista un alto grado de saturación del
transistor, esto significa, lo que se denomina la Supersaturación, que en términos de diseño
representa lo siguiente:
Ib >> Ic / B
Sí la corriente de base es Beta veces mayor que Ic/B, entonces
Ic = Ib
Con lo que las ecuaciones de diseño (del Circuito Inversor) son las siguientes:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Vi = Ic Rb + 0.8
En los circuitos presentados anteriormente se igualó los voltajes de Vcc y Vi, por tanto, las
resistencias Rc y Rb prácticamente también son iguales, estas resistencias generalmente son
del orden de Kilohmios.
3.4.2
CIRCUITO DE BLOQUEO CON OTRO SCR
Este circuito funciona como una “Balanza”, es decir, que mientras un SCR funciona el otro
esta Bloqueado. Se tiene, por tanto, dos SCR, uno que es el principal (conectado a la carga)
y que debe ser el que soporte la potencia necesaria para el funcionamiento de la carga,
mientras que el otro debe ser de menor potencia debido a que no circulará una corriente
muy alta por el mismo. El circuito se muestra en la Fig. 3.12, donde el SCR principal esta
denominado como Tp y el otro SCR como Tb, significando esto el tiristor principal y el
tiristor de bloqueo.
53
Fig. 3.12 Circuito de Bloqueo con otro SCR; (a) Voltaje en la Carga máxima Tp
funcionando; (b) Voltaje en la carga “casi” cero, Tb funcionando.
Como se observa en la Fig. 3.12, se tiene dos estados de voltaje sobre la carga, el primero
Fig. 3.12a, cuando el SCR principal (Tp) funciona y el segundo Fig. 3.12b cuando el SCR
de bloqueo (Tb) funciona. En el primer caso el voltaje sobre la carga es máximo, y en el
segundo es prácticamente nulo, es decir, el sistema esta bloqueado.
54
3.5
CIRCUITOS CON SCR EN SERIE Y EN PARALELO
Los circuitos de control pueden utilizar varios SCR, estos se conectan en Serie, en Paralelo
ó en forma de Serie – Paralelo, según las necesidades del usuario.
3.5.1 SCR EN SERIE
En la Fig. 3.13 se observa un circuito que tiene dos SCR en serie.
55
Fig. 3.13 Circuito con SCR en Serie; (a) Sin Pulso de disparo en los dos SCR; (b) Pulso
de disparo sólo para el primer SCR; (c) Pulso de disparo solo para el segundo SCR;
(d) Pulso de disparo para los dos SCR
56
La Fig. 3.13 se analiza de la siguiente manera:
a) CUANDO NO SE TIENEN NINGUN PULSO DE DISPARO
En este caso el voltaje sobre la carga es nulo Fig. 3.13.a, ya que ninguno de los SCR
dispara, por tanto no existe corriente por la carga.
b) CUANDO SE TIENE UN SOLO PULSO DE DISPARO
Este caso se observa en las Fig. 3.13b y Fig 3.13c, donde prácticamente tampoco se
tiene voltaje sobre la carga, debido a que es insuficiente un pulso de disparo, ya que
“aparentenmente” un SCR estaría disparado y el otro no, sin embargo ninguno de los
SCR esta funcionando ya que el que no tiene pulso de dispara se comporta como
circuito abierto, y por tanto, no existe corriente apreciable por el sistema
c) CUANDO SE TIENE PULSO DE DISPARO PARA LOS DOS SCR
Sólo éste caso Fig. 3.13d presenta voltaje sobre la carga para que funcione, y es que los
dos SCR están conduciendo, por tanto, existe corriente por el sistema.
Como concepto, entonces, se tiene que para que los SCR en serie funcionen se deben
“disparar” TODOS al mismo tiempo. (analogía con un circuito AND).
3.5.2
SCR EN PARALELO
En la Fig. 3.14 se observa circuitos con SCR en paralelo. Este caso es diferente al anterior,
ya que ahora es suficiente que uno de los SCR este “disparado” para que el sistema
funcione (analogía con un circuito OR), esto se observa en las Fig. 3.14b y Fig. 3.14c.
Por supuesto, que sí los dos SCR están funcionando el sistema también funciona, esto se
muestra en la Fig. 3.14d, sólo en el caso en que los dos SCR no estén funcionando el
sistema tampoco funcionará, ver Fig. 3.14a.
57
58
Fig. 3.14 Circuito con SCR en Paralelo; (a) Sin Pulso de disparo en los dos SCR; (b)
Pulso de disparo sólo para el primer SCR; (c) Pulso de disparo solo para el segundo
SCR; (d) Pulso de disparo para los dos SCR
59
TEXTO DE SEMICONDUCTORES ESPECIALES
CAPITULO 4: DIACS - TRIACS
4.1 DIAC
En el grupo de dispositivos especiales, que se denominan Tiristores, los dispositivos que se
analizaran en este capítulo son el DIAC y el TRIAC
Fig.4.1 El Diac; (a) Símbolo del Diac; (b) Circuito Equivalente.
En la Fig. 4.1a, se muestra el símbolo del Diac, y en la Fig. 4.1b lo que representaría su
circuito equivalente, esto significa que el diac, es prácticamente la combinación de dos
diodos zener en antiparalelo. Por tanto, el dispositivo necesita para funcionar un voltaje de
disparo, esto es válido para ambos sentidos de corriente, entonces el diac funciona
adecuadamente en sistemas de corriente alterna.
60
4.2 TRIAC
El triac funciona como un SCR, pero para ambos sentidos de corriente, por tanto, al igual
que el SCR, necesita un pulso ó nivel de disparo en compuerta para funcionar y una vez
que dispara se queda funcionando, hasta que se lo bloquee.
Debido a que el triac, permite el paso de la corriente en ambos sentidos, tiene como
complemento que permite también pulsos ó niveles de disparo negativos.
(a)
(b)
Fig.4.2 El Triac; (a) Símbolo; (b) Curva Característica.
En la fig. 4.2a, se observa el símbolo del Triac, donde se muestra dos diodos en
antiparalelo, que son los dos terminales principales, (ahora ya no existen, el ánodo y el
cátodo, como en el SCR) y el terminal de compuerta. La curva característica que se muestra
en la Fig. 4.2b, significa que el Triac funciona en ambos sentidos de corriente.
En los siguientes puntos de éste capítulo se aplicaran estos dispositivos, para el control de
potencia se sistemas de corriente alterna.
61
4.3 CONTROL POR POSICION DEL PULSO DE DISPARO
El control por posición del pulso de disparo tiene como referencia el siguiente análisis de
ondas, en un circuito que básicamente es el siguiente.
Vi
Vz
Vd
(a)
(b)
62
Vi
Vd
Vz
©
Vi
Vd
Vz
(d)
Fig. 4.3 Control por Posición del Pulso de Disparo; (a) Circuito Referencial; (b) Máxima
Potencia; (c) Media Potencia; (d) Mínima Potencia.
63
En la Fig. 4.3 se muestra el control por posición del pulso de disparo, el análisis es el
siguiente:
En la Fig. 4.3a se observa el circuito referencial (más adelante se presentará el circuito
completo), donde se indica los tres puntos de señal, que son:
Vi => Voltaje de Alimentación, es un voltaje alterno y generalmente de 220 voltios.
Vd => Señal de los pulsos de disparo, luego se presentará, de donde, ó como se obtienen
estos pulsos.
Vz => El voltaje resultante sobre la carga.
En la Fig. 4.3b, se observa el caso de obtención de máxima potencia sobre la carga, esto es
posible, porque, los pulsos de disparo están ubicados al principio de cada semiciclo, y por
tanto, el Triac, funciona prácticamente durante todo el semiciclo, cuando la señal de
alimentación pasa por cero, el Triac se bloquea, ya que la tensión, entre los principales
terminales es en este momento cero voltios, luego, se dispara otra vez, al inicio del
siguiente semiciclo, entonces, la señal sobre la carga Vz, es prácticamente la señal de
entrada, y por tanto, se tiene máxima potencia sobre la carga.
En la Fig. 4.3c, se observa el caso de obtención de media potencia sobre la carga, esto es
posible, porque, los pulsos de disparo están ubicados al centro de cada semiciclo, y por
tanto, el Triac, funciona solamente durante la mitad se cada semiciclo, cuando la señal de
alimentación pasa por cero, el Triac se bloquea, ya que la tensión, entre los principales
terminales es en este momento cero voltios, luego, se dispara otra vez, a mitad del siguiente
semiciclo, entonces, la señal sobre la carga Vz, es solamente la mitad de la señal de
entrada, y por tanto, se tiene media potencia sobre la carga.
En la Fig. 4.3d, se observa el caso de obtención de mínima potencia (prácticamente
potencia nula) sobre la carga, esto es posible, porque, los pulsos de disparo están ubicados
al final de cada semiciclo, y por tanto, el Triac, funciona muy brevemente al final de cada
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semiciclo, cuando la señal de alimentación pasa por cero, el Triac se bloquea, ya que la
tensión, entre los principales terminales es en este momento cero voltios, luego, se dispara
otra vez, al final del siguiente semiciclo, entonces, la señal sobre la carga Vz, es
prácticamente nula, y por tanto, se tiene mínima potencia sobre la carga.
El circuito que realiza este control esta conformado por los siguientes dispositivos:
Ø Triac
o Diac
Ø Resistencia Variable
Ø Condensador
Ø Carga (dispositivo que funciona con corriente alterna)
Este circuito se lo muestra en la Fig. 4.4, donde, el control de la posición del pulso de
disparo se logra mediante el voltaje de carga en el condensador, es decir, cuando este
voltaje llega al voltaje de disparo del Diac, entonces este deja pasar corriente hacia el Triac,
y por tanto, lo hace funcionar, permitiendo de esta manera que se tenga circulación de
corriente por la carga. El voltaje sobre la carga depende del tiempo de funcionamiento del
Triac, entonces, este voltaje es variable y depende del tiempo que el condensador tarda en
cargarse al voltaje de disparo del Diac. Este tiempo, depende de la Red conformada por la
Resistencia y el Condensador, alimentados por la señal de entrada (señal alterna). Esto
sucede para cada semiciclo, es decir, que el condensador se carga a voltajes positivos
(semiciclo positivo) y voltajes negativos (semiciclo negativo), esto es lo que produce los
pulsos de disparo positivos y negativos que se observan en la Fig. 4.3.
Si se considera que la alimentación será de 220 voltios y 50 Hertz, entonces, se tiene que el
periodo de la señal de entrada es de 20 milisegundos, esto significa, que cada semiperiodo
tendrá una duración de 10 milisegundos.
De lo anterior, se establece que, sí se desea obtener un pulso al principio del semiciclo, tal
como se ve en la Fig. 4.3b, el tiempo de carga del condensador debe ser menor a 1.5
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milisegundos, para que el pulso este en la mitad del semiciclo (como el de la Fig. 4.3c) el
tiempo deberá ser de 5 milisegundos y finalmente para que este al final del semiciclo (como
la Fig. 4.3d) el tiempo será de 9 a 10 milisegundos.
(a)
(b)
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©
Fig. 4.4 Circuito de Control por Posición del Pulso de Disparo; (a) Máxima Potencia;
(b) Media Potencia; (c) Mínima Potencia.
Como se observa en la Fig. 4.4, el circuito funciona como se había establecido en al análisis
previo, es decir, cuando el valor del “tau” de la Red R – C, es pequeño (mínimo valor,
comparativo, de R), el pulso de disparo es inmediato, por tanto, el voltaje sobre la carga es
alto y la potencia es máxima (Fig. 4.4a). A medida que el valor de R crece el tiempo de
carga del circuito R – C es más lento y por tanto el voltaje sobre la carga disminuya, lo que
significa que la potencia disminuya, hasta llegar al mínimo, (Fig. 4.4c).
No debe olvidarse que la relación del tiempo de carga del condensador, no es lineal
respecto al valor de R, además, y esto es muy importante, el voltaje de alimentación a la
Red R – C es variable en el tiempo.
Este circuito es conocido comercialmente con el nombre de DIMER, y existe variantes del
mismo, que se muestran a continuación.
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(a)
(b)
©
Fig. 4.5 Circ. Control; (a) Máxima Potencia;(b) Media Potencia; (c) Mínima Potencia.
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En la Fig. 4.5 se observa una variante del control por posición de pulso de disparo, donde la
carga esta colocada externamente al circuito de la Red R – C. El funcionamiento es
básicamente el mismo, como se puede apreciar en los tres casos presentados, de máxima
(Fig. 4.5a) potencia, de media potencia (Fig. 4.5b) y de mínima potencia (Fig. 4.5c).
Otra variante mejorada de este circuito, es el que utiliza un circuito “pi”, en lugar del
condensador, esto se muestra en la Fig. 4.6.
(a)
(b)
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©
Fig. 4.6 Circuito de Control; (a) Máxima Potencia;(b) Media Potencia; (c) Mínima
Potencia.
En la Fig. 4.6 se observa una variante del control por posición de pulso de disparo, donde la
carga esta colocada externamente al circuito, y además se utiliza un circuito “pi” en la Red
R – C. El funcionamiento es básicamente el mismo, como se puede apreciar en los tres
casos presentados, de máxima (Fig. 4.6a) potencia, de media potencia (Fig. 4.6b) y de
mínima potencia (Fig. 4.6c).
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