Curva característica del DIAC

Transcripción

1 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 1 DIAC (Diodo para Corriente Alterna): Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo (VBR) y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo (fue especialmente diseñado para disparar Triacs y Tiristores; se dispara por tensión). Es simétrico, o sea que su comportamiento es el mismo para ambas direcciones de corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón. Curva característica del DIAC El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en paralelo, pero orientados en formas opuestas. La conducción aparece cuando se alcanza la tensión de disparo; en ese momento, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del Tiristor o del Triac. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase. Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo (30v aproximadamente, dependiendo del modelo). Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo VBR; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente y disminuyendo, como consecuencia, la tensión anterior. La aplicación más conocida de este componente es el control de un triac para regular la potencia de una carga. Fabricación y Símbolo Electrónico: La fabricación de los diacs se basa en unir materiales cristalinos semiconductores tipo P y tipo N, como el silicio y el germanio, después de un tratamiento específico y como se indica en la siguiente figura: Principio de operación: Debido a la simetría de construcción de este dispositivo, la ruptura puede ser en ambas direcciones y debe procurarse que sea la misma magnitud de voltaje. Una vez que el dispositivo empieza a conducir corriente sucede un decremento en el voltaje de ruptura VBR, presentando una región de impedancia negativa (si se

2 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 2 sigue aumentando la corriente puede llegar hasta la segunda ruptura), entonces se logra que el dispositivo maneje corrientes muy grandes. La conducción ocurre en el DIAC cuando se alcanza el voltaje de ruptura, con cualquier polaridad, a través de las dos terminales. Una vez que tiene lugar la ruptura, la corriente fluye en una dirección que depende de la polaridad del voltaje en los terminales. El dispositivo se apaga cuando la corriente cae abajo del valor de retención. Ver ejemplos de aplicación al final de la Unidad. Los transistores son los diminutos componentes electrónicos que cambiaron el mundo. Se los puede encontrar en muchos componentes electrónicos, desde calculadoras y ordenadores a teléfonos, radios y aparatos auditivos. Son increíblemente versátiles, pero eso no quiere decir que pueden hacerlo todo. Aunque se los puede utilizar para controlar pequeñas corrientes eléctricas (como interruptor), y transformar las corrientes pequeñas en otras un poco más grandes (como un amplificador), no son muy útiles cuando se trata de manejar corrientes mucho más grande. Otro inconveniente es que se desconectan por completo tan pronto como se retira la corriente de conmutación o de base, lo que significa que no son tan útiles en dispositivos tales como alarmas en las que se desea un circuito para activar y permanecer en forma indefinida. Para estos casos es donde entra en juego otro componente electrónico llamado "Tiristor" o que también se los puede llamar "Rectificador Controlado de Silicio" (SCR) en lugar de tiristor. Un tiristor es un componente electrónico que conduce la corriente eléctrica en un solo sentido (como un diodo) y que además para que conduzca en ese sentido tiene que ser activado con una pequeña corriente eléctrica (como un transistor). Se puede decir que es un interruptor que se activa (abre o cierra) eléctricamente, pero a diferencia del transistor, que hace lo mismo, se puede utilizar con grandes corrientes (grandes potencias). Las corrientes que controlan son de 100A (amperios) o más. Se dice que los tiristores son biestables (porque tienen dos posiciones) y unidireccionales (porque conducen en una sola dirección). El Tiristor tiene tres conductores o patillas llamados ánodo (polo positivo = A), cátodo (polo negativo = K), y puerta o gate (G). También se pueden llamar fuente, drenaje y puerta (algo parecido al emisor, colector y base del transistor).

3 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 3 Funcionamiento del Tiristor: 1 - Activación del Tiristor: Cuando le llega una pequeña corriente a la puerta G, se activa el tiristor (interruptor cerrado entre ánodo y cátodo) y comenzará a pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo llamada corriente directa. Mientras no le llegue corriente a la puerta G no habrá corriente entre el ánodo y el cátodo (interruptor abierto). El interruptor es el ánodo y el cátodo; y la puerta G es la que lo cierra o lo abre (activación) por medio de una señal eléctrica. Se representa la carga que se quiere activar y desactivar (puede ser una lámpara o un Led) como un resistor R. 2 - Desactivación del Tiristor Pero además tiene otra diferencia con el transistor, una vez que el tiristor se activa, permanece activado (interruptor cerrado) aunque se corte la corriente por la puerta G. En el transistor cuando le deja de llegar corriente a la base se desactiva. Si se quiere que deje de pasar corriente entre el ánodo y el cátodo del tiristor la única forma es desconectando la corriente directa de alguna manera como se verá luego. Con un transistor, cuando una pequeña corriente fluye en la base, hace que un flujo de corriente más grande se genere entre el emisor y el colector. En otras palabras, que actúa como un interruptor y un amplificador al mismo tiempo. Lo mismo hace un tiristor, la puerta controla la corriente que fluye entre el ánodo y el cátodo, pero como se vio tiene varias diferencias. El tiristor debe siempre estar polarizado directamente, es decir el ánodo al positivo y el cátodo al negativo, para que pueda empezar a pasar la corriente entre ellos al activarlo, ya que es en el sentido que deja circular corriente entre ánodo y cátodo. Si está polarizado inversamente nunca pasará corriente entre el ánodo y el cátodo aunque se tenga corriente en la puerta G. La corriente necesaria (o mínima) que le tiene que llegar a G para activar el tiristor es lo que se conoce como "Corriente de Disparo". Se podría hablar de la tensión a la que se activa, en lugar de corriente (para que exista corriente se necesita una tensión), en este caso se llamará "Tensión de Disparo". Otra característica del tiristor es que la tensión o corriente de disparo no es fija, a mayor corriente de disparo (corriente por G = Ig) menor será la tensión de disparo o ruptura Vr.

4 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 4 Observar la gráfica siguiente: Para un tiristor polarizado directamente, la inyección de una corriente por la puerta G al aplicar una tensión positiva entre la puerta G y el cátodo (K) lo activará. Si se aumenta la corriente en G disminuirá la tensión de disparo del tiristor. Observar el siguiente circuito básico con las corrientes y las tensiones. Una vez que el tiristor se activa y pasa corriente por la lámpara (entre ánodo y cátodo); la señal de la puerta G pierde todo el control debido a que se auto-bloquea. Por eso se decía que una vez activado da igual si deja de pasar corriente por G, la corriente de salida I seguirá circulando por el circuito de salida. De hecho si se observa en el esquema para activar la puerta se puso un pulsador, al presionarlo se activa y al soltarlo deja de pasar corriente a G. También es conveniente poner una resistencia en serie con la Puerta para protegerla para que no le pueda llegar demasiada corriente y quemar el tiristor. La aplicación de corriente por la puerta momentáneamente, es suficiente para hacer que se realice y se mantenga de forma permanente "ON" incluso si la señal de puerta se elimina por completo. Para desactivarlo hay que cortar la corriente en el circuito de salida, es decir que deje de tener corriente entre el ánodo y el cátodo (desconectarlos). Por ese motivo se suele poner un interruptor también en el circuito de salida (ver imagen de más abajo). También es cierto que hay

5 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 5 una corriente de ánodo por debajo de la cual el tiristor deja de estar activa sin llegar esta a 0V, esta corriente se llama "corriente de mantenimiento" (IH). Una vez desconectado, si ahora se quiere volver activar el tiristor se debe tener cerrado el circuito de salida y hacer llegar de nuevo una señal (corriente) a la puerta. Normalmente el circuito básico para un tiristor en corriente continua es el siguiente: S2 = Llave de desconexión del Tiristor S1 = Pulsador de Activación Como se puede ver solo se emplea una pila o alimentación en continua tanto para el circuito de salida como para el de activación. Además se puso una llave en el circuito de salida para poder desconectar por completo el tiristor en caso de necesitarlo. El Tiristor como Rectificador: La mayoría de las aplicaciones de los tiristores o/y los SCR son para controlar un circuito de alimentación o salida en corriente alterna (interruptor). El tiristor solo conduce si está polarizado directamente, es decir si el ánodo está al polo positivo y el cátodo al negativo. Observar el siguiente circuito en donde la tensión de alimentación y de activación son la misma y en corriente alterna: Durante el semiciclo positivo de la fuente de corriente alterna (c.a.) el ánodo del Tiristor o SCR es más positivo que el cátodo y están polarizados directamente. Si ahora le llega una señal suficiente a la puerta el tiristor se activará y pasará corriente de entre ánodo y cátodo. Al principio del ciclo positivo de la onda como no le llega la suficiente corriente a la puerta el

6 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 6 tiristor estará desactivado. Llegará un momento que le llegue la suficiente corriente o tensión (tensión de disparo) y es entonces cuando el tiristor se activará. Una parte de la onda no estará en la salida al principio. Al pasar por cero, mejor dicho por el valor de la corriente de mantenimiento IK, el tiristor se desconecta (sin corriente de salida = interruptor abierto). Durante el otro medio ciclo la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad hace que el tiristor o SCR quede inversamente polarizado lo cual impide que circule cualquier corriente hacia la carga. Esto significa que no puede estar en conducción por más de medio ciclo. Al volver al ciclo positivo se necesita activar de nuevo el tiristor con una pequeña corriente en la puerta, pero como está conectada también a la fuente de tensión en alterna, la propia fuente la genera. Pues resulta que en la parte de la onda positiva de corriente alterna circula corriente y por la parte negativa no circula corriente, haciendo el tiristor de rectificador, ya que la onda de salida quedaría rectificada (solo la parte positiva). Para evitar que a la puerta le llegue corriente inversa, se puede hacer el circuito de activación a través de un sencillo diodo, para que entrega corriente a la puerta G solo en una dirección y además esta corriente estará un poco desfasada con respecto a la de salida por culpa del receptor o resistencia de salida. Si no se coloca el diodo puede que el tiristor se active con una tensión inversa y esto no debe ocurrir. Observar que en la curva característica del tiristor de la figura de arriba también hay una pequeña corriente inversa, de la que no se habló. El tiristor así usado es realmente al que se conoce como SCR. hay unos tiristores especiales que son capaces de conducir en los dos sentidos (bidireccionales) y en este tipo la onda de salida o carga en corriente alterna tendría una componente positiva y también otra cuando la onda es negativa. Estos tiristores se llaman TRIAC. Estructura interna de un Tiristor: Un tiristor es la unión de 4 semiconductores P y N alternativamente como se ve en la siguiente figura: Como se ve es como si se tuviera la unión de 3 diodos simples D1, D2 y D3. D3 sería el formado por los dos semiconductores intermedios NP. Si ponemos una tensión positiva en A y una negativa en K los diodos D1 y D3 están polarizados directamente permitiendo la circulación de la corriente, pero el D2 no lo permite porque está inversamente. Solo circulará corriente cuando polaricemos directamente el D2 mediante una señal en la puerta, que es cuando habrá corriente entre ánodo y cátodo. Disparo por dv/dt: Un rápido aumento de la tensión directa de ánodo cátodo puede producir una corriente transitoria de puerta que active el tiristor. Generalmente se elimina este problema

7 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 7 utilizando circuitos de protección basados en R, C o L. Valores típicos de dv/dt están comprendidos entre 5V/useg a 500V/useg. Sobrecalentamiento por di/dt: Un tiristor requiere un tiempo mínimo para dispersar la conducción de la corriente en forma uniforme a través de las uniones. Si la velocidad de elevación de la corriente del ánodo es muy alta en comparación con la velocidad de dispersión del proceso de activación, aparecerá un punto de calentamiento, debido a una alta densidad de corriente, por lo que el dispositivo puede fallar o romperse por temperatura excesiva. Protecciones contra dv/dt y di/dt: Se coloca una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie. Ejemplos de Aplicación: Relé activado por sonido: Cuando al ser iniciado el circuito, si en esta entrada hay cero voltios, el dispositivo esta "abierto"; sin embargo al recibir un pulso positivo breve de mas o menos 1 voltio el tiristor se "cierra" y se enclava conduciendo y conectando la carga conectada a su Ánodo a tierra cerrando circuito. En el circuito mostrado un ruido como el de una palmada o un chasquido se acopla al FET, se amplifica y de allí se toma la porción de voltaje positivo necesario para enclavar al tiristor.

8 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 8 Circuito Básico de Disparo para un SCR: Con el siguiente circuito se busca comprobar la operación de un tiristor como elemento de control de fase; para ello se necesitan los siguientes elementos: 1x SCR C-106B 1x Resistencia de 3.3 K - ½ W (R1) - 1 x Resistencia Variable - 1 x Diodo rectificador IN4007 o equivalente 1x Lámpara miniatura 127 Vca 1x Fusible de 0.5 Amp. c/porta fusible. Forma de calcular el valor de R2: Sabiendo que R1 = 3.3 K, VMax = 127 Vca y IGT = 200uA; por ley de Ohm: VMax = IGT x Rab Se despeja Rab y como Rab = R1 + R2, se despeja R2 Detector de Humedad para Alarma: El sensor de esta alarma puede estar formado por dos varillas enterradas en una maceta o en el jardín, o también dos telas separadas por un trozo de tejido o de papel poroso com un poco de sal. Si el SCR tiende a dispararse solo, eso se debe a fugas eventuales en el Transistor Q1 que deberá cambiarse. El Relé tiene una bobina de acuerdo con la tensión de alimentación.

9 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 9 Alarma simple con tiristor: Se puede construir una sencilla alarma contra ladrones usando un tiristor y resistencias para ser usada con dos tipos de sensores o interruptores: N.A y N.C, es decir normalmente abiertos y normalmente cerrados. El interruptor normalmente abierto puede usarse en el piso bajo una alfombra para que al ser pisado por alguien sea activado (cerrado). El normalmente cerrado puede colocarse en una puerta (usando un interruptor magnético para puerta de bajo costo) de manera tal que si es abierta se desbloquee la entrada a tierra a la entrada del Gate del tiristor y active el circuito. Para activar la alarma se puede usar un interruptor ON/OFF (conectando la batería), si se cierra el switch SW2 (normalmente abierto), se aplicará un voltaje positivo a la compuerta del SCR, haciéndolo conducir y por tanto el buzzer sonará. De igual manera si luego de armarse la alarma (conectando la batería), se abre el switch normalmente cerrado, se aplicará un voltaje positivo a la compuerta del SCR, haciéndolo conducir y enclavándolo. El led se encenderá y el buzzer se activará también avisando sobre la situación de alarma. La única manera de detener esto es desconectando la batería del circuito o pulsando el switch que está en paralelo con el SCR. También se puede amplificar esta señal para que sirva para manejar cargas de 220 VAC en este caso el buzzer se reemplaza con un relay de 12 voltios para que encienda una lámpara, prenda un motor, active una sirena u avisador de potencia. Control de Velocidad de un Motor Universal: Este circuito es un modelo típico de un control de fase ya que el ángulo de conducción en la carga se puede variar con el valor de R.

10 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 10 Lista de componentes Este circuito se acomoda a motores universales de hasta ¾ hp para 120V y hasta 1- ½ hp para 240V El Triac: Este dispositivo es similar al diac pero con un único terminal de puerta (Gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente de Gate y no requiere alcanzar el voltaje V BO como el diac. Construcción básica y símbolo del TRIAC En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en Gate, el valor de V BO es distinto. En la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de V BO más bajo, y es la que mayor corriente

11 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 11 de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor I H. Característica V-I del triac Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos. Control básico de potencia con un Triac Encapsulados de Tiristores y Triacs: Varía mucho según se trate de productos de pequeña, mediana o gran potencia. A groso modo se pueden distinguir:

12 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 12 1 Las Capsulas con Hilos Terminales: Las más conocidas son las TO-5 y TO-18, con una versión plástica, la TO-92. La evacuación de calor no se obtiene solo por conveccion natural, sino también por conducción al soporte mediante los terminales. La potencia disipable podrá así variar considerablemente con la longitud de estos hilos y con la capacidad de disipación del soporte. Además, en una variante del TO-5 conviene incluso soldar la capsula a un refrigerador para poder obtener la potencia máxima anunciada. 2 Las Capsulas Atornillables: Se usan mucho en los diodos, desde algunos amperes hasta centenares de amperes. Su empleo es menos general en tiristores y triacs pero aun dominan la gama situada por encima de 15 o 20 A. Han de asociarse a radiadores de impedancia térmica adecuada. 3 Las Capsulas Planas: Son en primer lugar las TO-66 y TO3, heredadas de los transistores. Ofrecen sobre todo la ventaja de ser bien conocidas, pero tienden a cambiarse por Capsulas de Plástico, que resultan muy satisfactorias en combinación con elementos vidriados. Un ejemplo típico es la TO-220, cada vez mas usada en la gama de 6 a 15 A. Este tipo de capsula permite automatizar un tanto los métodos de ensamble.

13 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 13 Aplicaciones: El circuito es un control de fase que controla la potencia de CA en la carga variando el ángulo de disparo del DIAC por la resistencia R. Al superar el voltaje en el condensador el voltaje VBR del DIAC éste se dispara, haciéndolo seguidamente el TRIAC. Este control es más efectivo que el usado con el SCR ya que la potencia en la carga es mayor. Control de un Motor de Inducción 110V 220V C 0,22uF/200V 0,22uF/400V Y T2700B T2700D Control de un Motor Universal

14 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 14 Atenuador con potenciómetro para lámparas incandescentes: Con muy poco dinero y esfuerzo se puede armar este atenuador que permitirá regular el brillo de una o varias lámparas ya sea para la iluminación de un ambiente o para un simple velador o lámpara de pié. El elemento activo de este proyecto es un triac el cual es comandado por el potenciómetro a través del diodo DIAC, que es del tipo El triac puede ser montado sin disipador para cargas de hasta 100w, pero pasada esa potencia se hace indispensable el uso de uno. El potenciómetro conviene que sea lineal, para que el brillo varíe en forma pareja a lo largo de todo el cursor. El uso de la llave del pote se hace para conmutar la entrada de corriente. Recuerde ser muy precavido dado que está trabajando con la tensión de red sin aislar. Así quedo terminado el prototipo: Relé de estado sólido: Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico, además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé electromecánico destruirían en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación muy superior a la de los relés electromecánicos.

15 Electrónica 5 EM ITS Lorenzo Massa Pagina 15 SSR para 220vac /5A. * U2 tiene que ir colocado en un disipador.