ELECTRONICA DE POTENCIA

Transcripción

1 ELECTRONICA DE POTENCIA TIRISTORES Dispositivos UJT, PUT, SUS/SBS y DIAC Antonio Nachez A ELECTRONICA IV A Electrónica IV

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3 3 INDICE 1.- Introducción 2.- Funcionamiento generalizado 3.- Teoría y características del Transistor Unijuntura Teoría de Operación Oscilador a Relajación con UJT 4.- Teoría y características del Transistor Unijuntura Programable Teoría de Operación Oscilador a Relajación con PUT 5.- Teoría y características de las Llaves Unilaterales y Bilaterales de Silicio 6.- Teoría y características de los DIAC

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5 5 OSCILADORES DE RELAJACIÓN 1.- Introducción. Un Oscilador de Relajación es un circuito generador de pulsos, separados por intervalos regulares, y cuyo principio de funcionamiento se encuentra basado en la utilización de dispositivos que presenten una zona de operación con resistencia negativa. Dado que los son ampliamente utilizados en el disparo de dispositivos semicontrolados como SCRs y TRIACS, se realiza el estudio de su funcionamiento en forma general para luego aplicarlo en implementaciones con diversos elementos del mercado. 2.- Funcionamiento generalizado. A modo de análisis general se considera el circuito de la figura 2.1 cuyo elemento no lineal presenta la característica V/I indicada en la figura 2.2. R1 Elemento con Resistencia Negativa Vi = Vcc C V R2 V R Figura 2-1 I I P 2 I H 3 1 I S Q 4 V H V S V Figura 2.2

6 6 Si en t=0 se aplica Vi = Vcc a la entrada del circuito de la figura 2.1, el condensador C se carga con una constante de tiempo τ = R 1 C, despreciando la corriente que toma el elemento de resistencia negativa. Esta tensión se aplica al circuito serie compuesto por dicho dispositivo y la resistencia R 2, por lo que el punto de trabajo Q se desplaza sobre la característica V/I, determinado por su intersección con la recta de pendiente R 2. De la figura 2.2 puede verificarse que inicialmente la corriente por el circuito serie es despreciable, toda la tensión aplicada cae sobre el elemento de resistencia negativa y en consecuencia la tensión de salida es prácticamente nula. Cuando la tensión del condensador de entrada es la suficiente para que dispositivo alcance la zona de resistencia negativa determinada por el punto 1, éste comienza a conducir y el punto de trabajo se desplaza del punto 1 al punto 2. La corriente máxima por el circuito serie es I P y el pico de la tensión de salida R 2 I P. Esta corriente es provista principalmente por el capacitor C, que al descargarse provoca que el punto de trabajo se desplace de 2 a 3. Al llegar a 3 el dispositivo ingresa nuevamente en la zona de resistencia negativa, su resistencia aumenta y el punto de trabajo pasa del punto 3 al punto 4. El dispositivo vuelve a la condición de alta resistencia no derivando mas corriente, por lo que el condensador C vuelve a cargarse y recomienza el ciclo. Del funcionamiento descrito se observa que el primer pulso, a partir del momento que se aplica tensión al circuito, se produce al cabo de un intervalo de tiempo mayor que los restantes. En el primer caso el condensador C se carga desde cero a la tensión que lleva al dispositivo al punto 1, en cambio todos los pulsos posteriores se producen luego de transcurrido el tiempo necesario para hacer pasar el dispositivo del punto 4 al punto 1. Cabe destacar que si bien el punto 1 es prácticamente coincidente con el correspondiente a V S /I S, el primero se encuentra fijado cuando la recta R 2 es tangente a la característica V/I del dispositivo, mientras que V S /I S es donde la tensión V sobre el dispositivo es máxima. Para que el circuito oscile el valor de la resistencia de temporización R 1 debe encontrarse en un entorno fijado por sus valores máximo y mínimo. Considerando que el punto 1 y el de V S /I S coinciden, el máximo valor de R 1 se encuentra fijado por la necesidad de poder cargar el condensador a V S. Si R 1 es de un valor tal que la corriente de entrada pueda ser inferior a I S en un momento de la operatoria, el condensador C no puede cargarse a V S y el dispositivo nunca alcanza la zona de resistencia negativa. Por el contrario, si R 1 es de un valor tan bajo que una vez disparado el dispositivo, circule una corriente superior a I H, éste permanece en conducción sin alcanzar el punto 3 (despreciando la caída en R 2 ). De las condiciones anteriores puede fijarse: R 1max = Vi V S / I S R 1min = Vi V H / I H Para una correcta operación de un circuito Oscilador de Relajación, además de sus características estáticas debe tenerse en cuenta su comportamiento dinámico. Un dispositivo con elevados tiempos de conmutación, que pase lentamente del punto 1 al punto 2, en realidad nunca lo alcanza dado que durante este lapso el condensador ya se ha ido descargando. El resultado es que el valor de I P es menor y en consecuencia lo es también la amplitud del pulso de salida. En general, para τ = R 2 C mayores a diez veces los tiempos de conmutación, puede considerarse que se alcanza el valor de I P y

7 7 la máxima amplitud de salida. Para constantes de tiempo R 2 C menores, hay que prever la degradación del pulso de salida debido a las consideraciones anteriores. Múltiples dispositivos reales se utilizan en la implementación de Osciladores de Relajación, los mas usuales son: UJT Transistores Unijuntura PUT Transistores Unijuntura Programables SUS Llaves Unilaterales de Silicio SBS Llaves Bilaterales de Silicio DIAC Diodos para Corriente Alterna 3.- Teoría y características del Transistor Unijuntura. El transistor unijuntura, UJT de sus denominación en inglés Unijunction Transistor, es un dispositivo introducido en forma teórica en el año 1948 y cuyas características fueron descriptas por Skockley y Haynes al año siguiente. Su primer fabricación comercial fue realizada en al año Teoría de Operación El UJT es un dispositivo de tres terminales denominados emisor (E), Base Uno (B 1 ) y Base Dos (B 2 ). Su símbolo, característica, tensiones y corrientes se indican en la figura 3.1 I B2 V E E I E B2 B1 V B2B1 Figura 3.1 Como indica su nombre, el UJT tiene solo una juntura PN, por lo que presenta una característica completamente diferente a un transistor convencional. Para explicar su funcionamiento, es conveniente modelizarlo por una estructura de barra como se indica en la figura 3.2. (a), cuyo circuito equivalente se indica en la figura 3.2 (b). Circuito válido para corrientes de emisor iguales o inferiores a las de la corriente de pico.

8 8 B 2 E P Estructura de Silicio Tipo N B 1 (a) Estructura simplificada del UJT r B2 V D + B 2 E A V B2B1. B 1 r B1 (b) Circuito equivalente válido para I E menor o igual a I P r B2 V D + B 2 E A V B2B1 r B1. B 1 r S r N (c) Circuito equivalente válido para la región de resistencia negativa r B2 V D + B 2 E A V B2B1. B 1 r S (d) Circuito equivalente válido para la región de saturación Figura 3.2

9 9 Al aplicarse una tensión V B2B1 circula una corriente en la barra de silicio entre los dos terminales de base. Como la barra es una resistencia de valor r BB, la corriente interbase resulta I B2 = V B2B1 / r BB Una fracción de esta tensión aparece en el punto A, donde se encuentra el terminal de emisor, fracción conocida como coeficiente intrínseco e identificada por la letra griega η. Sin tensión aplicada al emisor, la tensión del punto A es ηv B2B1, por lo que la juntura PN se encuentra inversamente polarizada y solo circula una pequeña corriente inversa. Si se incrementa la tensión de emisor hasta al alcanzar el valor que justo inicia la conducción de a la juntura PN, este valor se corresponde con el valor de pico de la tensión de emisor Vp. Cuyo valor constituye la ecuación fundamental de los UJT trabajando como osciladores de relajación: Vp = V D + ηv B2B1 A partir de este valor, al polarizarse en sentido directo la juntura PN, se inyectan huecos desde el emisor hacia la barra de silicio. El campo eléctrico dentro de la barra tiene la polaridad adecuada para transportar a los huecos hacia el terminal de base uno. Como la conductividad de un material semiconductor es una función directa de la concentración y movilidad de los portadores, la inyección de huecos aumenta la conductibilidad en la zona, dando origen a un proceso de realimentación positiva denominado modulación de la conductividad. El incremento de portadores, reduce la resistividad, causando a su vez un aumento en la caída de tensión entre el emisor y base uno. Proceso que a su vez permite que mas huecos sean inyectados desde el emisor, volviendo a disminuir la resistividad. Mientras el UJT está sometido a este proceso entre los terminales de emisor y base uno se encuentra en la zona de resistencia negativa. En la figura 3.2 (c), se grafica esta situación. Para corrientes de emisor iguales o inferiores a su valor de pico, la resistencia r BB puede considerarse dividida en dos partes r B1 y r B2 de acuerdo a las siguientes expresiones: r B1 = η r BB r B2 = r BB - r B1 En la zona de resistencia negativa, la resistencia r B1 puede considerarse compuesta por una parte fija rs (resistencia de saturación) y una variable rn (resistencia negativa), siendo rs el mínimo valor de r B1 una vez finalizado el proceso de realimentación positivo y rn se haya hecho nula. Cuando r B1 = rs, el UJT ya no se encuentra en la zona de resistencia negativa y el punto de la característica donde r B1 alcanza su valor mínimo es el punto de valle, determinado por el par de valores I V y V V de la característica de emisor. Pasado este punto, el UJT entra en la zona de saturación, donde la corriente de emisor es una función lineal de la tensión de emisor. El circuito equivalente en esta región se indica en la figura 3.2 (d) En la curva característica del UJT de la figura 3.1 pueden diferenciarse las tres zonas; de corte, de resistencia negativa y de saturación. La primera de ellas no está dibujada a escala para poder visualizar el punto de pico, ya que mientras Ip es del orden de los

10 10 na/ua, la Iv es del orden de los ma. A la izquierda del punto de pico se encuentra la región de corte, donde la juntura PN se encuentra inversamente polarizada a excepción de las cercanías del punto de pico, y solo circula la pequeña corriente de pérdidas. A la derecha de este punto, y hasta el punto de valle, se encuentra la zona de modulación de conductividad que da origen al comportamiento de resistencia negativa del UJT. A la derecha del punto de valle se encuentra la zona de saturación donde la corriente de emisor está limitada por rs. La característica de emisor para corriente nula de base dos es esencialmente igual a la de un diodo de silicio. En la siguiente tabla se indican valores típicos de un transistor unijuntura. Parámetro Símbolo Valores típicos Coeficiente intrínseco η 0,7 Resistencia interbase r BB 7 Kohm Corriente de pico Ip 1 ua Corriente de valle Iv 10 ma Corriente inversa de emisor I EO 0,1 ua Tensión de saturación de emisor V EB1 (SAT) 1,5 V Caída directa de la juntura de emisor V D 0,6 V Tensión de valle Vv 1,5 V Oscilador a Relajación con UJT El la figura 3.3. se indica el circuito de aplicación típico de un UJT trabajando como un oscilador a relajación: R E C E R 2 R 1 R E = 10 K C E = 0,01 uf R 2 = 270 ohm R 1 = 27 ohm Vcc = 12 V Figura 3.3 Cuando se aplica la tensión de alimentación, C E se carga exponencialmente a través de R E hasta alcanzar el valor de disparo Vp. A esta tensión, la juntura PN entre emisor y base uno, se polariza en forma directa y la característica de emisor entra en la zona de resistencia negativa. El capacitor C E se descarga al circular una corriente de emisor, produciendo un pulso positivo en el terminal B 1. Este pulso se produce sobre la resistencia R1, que puede existir físicamente o bien representar la impedancia de entrada de la compuerta del tiristor que se desea disparar mediante el oscilador de relajación.

11 11 Antes de dispararse, una corriente I B2 se encuentra circulando entre las dos bases. Cuando el UJT entra en la zona de resistencia negativa, la I B2 se incrementa, dado que r B2 disminuye al valor de rs, dando origen a un pulso negativo en el terminal de B 2. Cuando la tensión en el emisor decrece al valor de valle por la descarga del capacitor, el UJT se corta, el capacitor C E vuelve a cargarse y el ciclo se repite, si se satisface que el valor de R 1 se encuentra entre los máximos y mínimos permitidos. Para el cálculo del período en régimen permanente, la tensión en el capacitor C E sigue una evolución dada por: V CE = Vv + (Vcc Vv) (1 e t/τ ) con τ = R E C E El disparo se produce cuando V CE = Vp = V D + η V B1B2 Por lo que resulta un período T = R E C E ln (Vcc Vv) / (Vcc V D η V B1B2 ) Usualmente, despreciando Vv y V D, el período queda expresado por: T = R E C E ln 1 / (1- η) = τ ln 1 / (1- η) Para la correcta operación de un oscilador a relajación en el disparo de tiristores, debe asegurarse que el período se mantenga constante y la amplitud del pulso de salida sobre R 1 sea de la energía requerida El período calculado se ve afectado por la variación de la temperatura. Variación que puede minimizarse mediante la adecuada elección del valor de la resistencia R 2 en el circuito de la figura 3.3. La ecuación básica del UJT operando como oscilador de relajación es Vp = V D + η V B1B2 La presencia de R 2, y despreciando R 1, la modifica como: Vp = V D + Vcc / (r BB + R 2 ) η V B1B2 Sin la presencia de R 2, si la temperatura aumenta, como V D y η tienen un coeficiente negativo de variación con la temperatura, Vp disminuye con la temperatura. La inclusión de R 2 introduce a r BB en la expresión de Vp. r BB presenta un coeficiente positivo de variación con la temperatura, tendiendo a compensar la disminución de Vp debidos a V D y η, al incrementarse la temperatura. Si R 2 no varía con la temperatura, puede elegirse un valor adecuado, que permite alcanzar una variación del 1% en Vp sobre una variación en 50º C. El valor de R 2 puede calcularse a partir de la información de los fabricantes sobre la variación de los parámetros con la temperatura, pero como primer aproximación en circuitos no críticos, para independizar el período de los cambios de temperatura se toma:: R2 = 15 % r BB

12 12 En cuanto a la energía entregada en el pulso de descarga del capacitor C E durante la zona de resistencia negativa, en principio la tensión en el mismo no puede variar instantáneamente, tendiendo a establecer una corriente dada por el valor de Vp al cual se ha cargado C E y las resistencias rs (resistencia de saturación emisor base 1) y R 1. El tiempo que tarda en establecerse esta corriente es del orden de los microsegundos. Durante este tiempo de conmutación, C E puede ir descargándose y producir un pulso de amplitud menor que el esperado en función de los valores del circuito. Estas variaciones se encuentran graficadas en la figura 3.4, para distintos valores de C E y de V B1B2, ensayado en un circuito como el de la figura 3.3 con los siguientes valores R E = 10 ohm R 2 = 1 Kohm R 1 = 27 ohm En la figura puede observarse como para distintos valores de C E y V B1B2 se obtienen diferentes valores de corriente de emisor Figura Teoría y características del Transistor Unijuntura Programable. El transistor unijuntura programable, PUT de sus denominación en inglés Programmable Unijunction Transistor, es un dispositivo de cuatro capas, perteneciente a la familia de los tiristores, con acceso al terminal de compuerta de ánodo y utilizado en aplicaciones de osciladores de relajación. Su nombre se deriva de su uso en este tipo de circuitos en lugar de los UJT, y denominados programables por no tener un coeficiente intrínseco η fijo, sino que puede ser modificado por el circuito.

13 Teoría de Operación El PUT, como el UJT, es un dispositivo de tres terminales, que por pertenecer a la familia de los tiristores, utilizan los usuales de ánodo, cátodo y compuerta. Su símbolo, y circuito equivalente se indican en la figura 4.1. Figura 4.1 De la figura puede observarse que el disparo se produce por el terminal de ánodo en lugar del de cátodo, haciendo a la compuerta negativa con respecto al ánodo para pasar del estado de corte al de conducción. El uso de los PUTs 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 capacidad, en aplicaciones de baja corriente, tales como temporizaciones muy largas o en circuitos alimentadas con baterías. Adicionalmente, por su conmutación debido a un proceso de realimentación positiva de elementos activos, presentan menores tiempos de conmutación que los UJT donde este proceso se debe a un cambio en la conductividad de la barra de silicio por inyección de portadores. En consecuencia menores valores de capacidad producen pulsos de disparo de la potencia adecuada En la figura 4.2. se indica un oscilador a relajación típico implementado con PUT. En el mismo puede apreciarse que se fija el potencial de la compuerta de ánodo a un valor Vs determinado por el divisor resistivo R1 y R2. La resistencia y capacidad de temporización R T y C T, fijan la evolución de la tensión del ánodo. Cuando alcance el potencial de la compuerta, mas la necesaria para vencer la caída directa de la juntura ánodo compuerta, el PUT se encuentra con tensión ánodo cátodo positiva y corriente de compuerta, por lo que pasa del estado de corte al de conducción como cualquier miembro de la familia de los tiristores.

14 14 Figura 4.2 En este circuito, la curva característica que vincula la tensión ánodo cátodo con la corriente de ánodo del PUT es como se indica en la figura 4.3. Pueden observarse los puntos estables de pico y de valle en ambos extremos de la zona de resistencia negativa. Figura 4.3

15 15 La tensión de pico Vp es prácticamente la fijada por el divisor resistivo, mas la caída en un diodo polarizado directamente. Como la referencia es fijada por el circuito y no por el dispositivo en si, puede ser modificada a voluntad, y en este sentido la tensión de pico Vp es programable. Al caracterizar a un PUT, se acostumbra referirlas a la tensión y resistencia de Thevenin Vs y R G, visto desde el terminal de compuerta: Vs = V 1 R 1 / (R 1 + R 2 ) R G = R 1 R 2 / (R 1 + R 2 ) La mayoría de los parámetros de un PUT son función de los valores de Vs y R G, como de hecho lo es la curva de la figura 4.3. Disminuir R G produce un aumento en los valores de las corrientes de pico y de valle, dado que por encontrarse R G en paralelo con el PUT, la disminución de R G torna al PUT mas insensible. En la siguiente tabla se suministran valores de pico y de valle de los PUT Motorola tipos 2N6027 y 2N6028 para distintos valores de R G Ip Iv Símbolo R G 2N6027 2N6028 Unidades R G = 1 mohm 1,25 0,08 ua R G = 10 Kohm 4 0,70 ua R G = 1 Mohm ua R G = 10 Kohm ua Otros valores típicos son: Símbolo Descripción Valor Típico Observaciones Caída directa ánodo compuerta 25 C V AG I GKS Corriente inversa compuerta cátodo con el ánodo cortocircuitado I GAO Corriente inversa compuerta ánodo con cátodo abierto 0,3 I AG 0,1 ua 0,7 I AG 1 ma 5 na V F Caída directa ánodo cátodo 0.8 V Coeficiente negativo con la temperatura, -2,4 V/ 10 na y -1,6 V/ 10 ma 1 25 Se duplica cada 10 C Oscilador a Relajación con PUT El la figura 4.2 se indica el circuito de aplicación típico de un UJT trabajando como un oscilador a relajación. Su funcionamiento es análogo al explicado para los UJT. Dadas las características constructivas y funcionales de los PUT, en su aplicación en osciladores de bloqueo deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: Al igual que en los UJT, la resistencia de temporización R T debe ser lo suficientemente baja para que pueda alcanzar a circular Ip y lo suficientemente alta

16 16 para que no pueda circular la Iv en forma permanente. Para el caso de los PUT debe tenerse en cuenta que los valores de Ip e Iv dependen del valor de R G. El valor de Vp en los PUT es fijado por el circuito exterior, por ejemplo mediante un divisor resistivo como el de la figura 4.2. La ecuación básica del PUT es: Vp = V T + Vs Siendo Vs la tensión de Thevenin vista desde la compuerta y V T una tensión de offset compuesta por la caída directa de la juntura ánodo compuerta V AG mas la caída producida en R G por la corriente Ip justo antes del disparo. Como V T = V AG + Ip R G, un cambio en R G afecta a ambos términos en forma opuesta. Si R G aumenta, Ip disminuye y hace decrecer a V AG, pero como Ip no se reduce tan rápido como R G se incrementa, el producto Ip R G aumenta, aumentando el valor de V T. Como estas variaciones son difíciles de estimar, es de uso generalizado tomar para la mayoría de las aplicaciones. V T = 0,5 V El período de un oscilador a relajación basado en PUT resulta: V CT = Vp = V T + Vs Por lo que resulta un período T = R T C T ln (Vcc Vv) / (Vcc V T - Vs) Despreciando Vv y VT, se reduce a una expresión equivalente a la ya obtenida para los UJT. T = R T C T ln (1 + R 1 / R 2 ) Al igual que con los UJT, la amplitud del pulso de salida depende de la velocidad de conmutación, especialmente para capacidades inferiores a 0,01 uf. Valores típicos de frecuencias de oscilación se encuentran comprendidas entre los 0,003 Hz y 2,5 KHz. El PUT operando como oscilador de bloqueo presenta una baja dependencia de su frecuencia con la temperatura debido a que su tensión de compuerta se encuentra fijada exteriormente. Para aplicaciones críticas deben implementarse circuitos de compensación 5.- Teoría y características de las Llaves Unilaterales y Bilaterales de Silicio. Estos dispositivos, conocidos por sus siglas SBS y SUS de sus denominaciones en inglés Silicon Unilateral Switch y Silicon Bilateral Switch, también pertenecen a la familia de los tiristores, integrando PUT y diodos zener para fijar el valor de la tensión de referencia.

17 17 En la figura 5.1 se indica el símbolo, el circuito equivalente y la curva característica de los SUS. Figura 5.1 La figura 5.2 presenta los mismos datos para los SBS. Figura 5.2 De las figuras precedentes puede observarse que son dispositivos de tres terminales con una característica equivalente a la de los PUT, por lo que su utilización en circuitos osciladores de relajación es similar al de la figura 4.2, pero con la tensión de referencia de compuerta fijada por el diodozener interno en lugar de serlo por el circuito exterior. La tabla siguiente presenta algunos valores típicos de un SUS como el D13D1 Símbolo Descripción Valor Típico Vs Tensión de disparo 6 a 10 V Is Corriente de disparo 0,5 ma máximo V H Tensión de mantenimiento 0,7 25º I H Corriente de mantenimiento 1,5 ma V F Caída directa 1, ma Vo Tensión de pico del pulso 3,5 V mínimo El valor de Vo se obtiene sobre una resistencia de cátodo de 20 ohms, con un circuito de temporización alimentado desde 15 V y con valores de resistencia y capacitor de 100 K y 0,1 uf. Puede observarse que presentan un valor relativamente elevado de la corriente de pico, y que ésta no difiere significativamente de la de valle, por lo que las frecuencias

18 18 máximas y mínimas de operación se encuentran limitadas. Por estas razones, actualmente se disponen dispositivos integrados que presentan características similares y mejores valores de sus parámetros. Los SBS, como por ejemplo el D13E1, son esencialmente dos SUS idénticos en anti paralelo. Como puede operar con polaridades opuestas de la tensión de alimentación, su principal uso se encuentra en el disparo de tiristores bidireccionales como los TRIAC. Esta operación se logra excitando el circuito del oscilador con tensiones alternas en vez de continuas. 6.- Teoría y características de los DIAC. Los DIAC son dispositivos de solo dos terminales, cuyo símbolo y características se indican en la figura 6.1. Figura 6.1 Estos dispositivos pertenecen a la familia de los tiristores, se encuentran construidos con las cuatro capas típicas de la familia, pero con la particularidad que su disparo no se produce por la inyección de portadores en el terminal de compuerta, sino por tensión de ruptura. Forma de disparo que generalmente resulta destructiva para la mayoría de los miembros de la familia de tiristores, pero que es la utilizada en los DIAC. Puede observarse de su característica, que la zona de resistencia negativa comienza al superarse la tensión de ruptura y luego permanece permanentemente en esta zona, por lo que no existe un punto de valle. La siguiente tabla contiene valores típicos del DIAC ST-2:

19 19 Símbolo Descripción Valor Típico V(BR) Tensión de ruptura 28 a 36 V I(BR) Corriente de ruptura 200 ua máximo ep Tensión de pico del pulso 3 V mínimo El valor de ep se mide en un circuito con los mismos valores que los utilizados para la determinación del pulso de disparo de los SUS. A aplicación típica de los DIAC es para el disparo de TRIAC.