El tiristor. Constitución y funcionamiento

Recibe el nombre de tiristor el conjunto formado por la unión de cuatro cristales, según la secuencia P-N-P-N. Al electrodo conectado al cristal P de un extremo se le denomina ánc (A) y al electrodo conectado al cristal N del otro extremo, se le denomina cátodo (K).’
Para interpretar de una forma sencilla el funcionamiento de este dispositivo, suele recurrirse a dos procedimientos: el de asimilarlo a un conjunto formado por dos transistores o el de considerar que su estructura interna es equivalente a tres diodos. Nosotros, debido a su mayor sencillez, hemos optado por este último, asignando a los mencionados diodos las denominacines D1, D2 y D3.
Obsérvese que los diodos D1 y D3 se encuentran en el mismo sentido, mientras que el diodo D2 está conectado en oposición, o invertido, respecto a los primeros.
Veamos qué le sucede a un tiristor cuando se le aplica una diferencia de potencial variable entre el ánodo y el cátodo, según se indica en el circuito experimental que incluimos a continuación: Al aumentar el potencial positivo del ánodo, el tiristor permite un pequeñísimo paso de corriente, ya que, aunque los diodos
D2 y D3, están polarizados directamente, el diodo D2 está sometido a una polarización inversa y, por lo tanto, la corriente que mide el amperímetro A será muy próxima a la corriente inversa de D2. Este proceso se corresponde con el tramo OA de la curva característica del tiristor. –
Si se sigue aumentando la tensión hasta el valor Vd, denominado tensión de disparo, el diodo D2 se encuentra sometido a la tensión de avalancha, con lo que la corriente ya no es controlada por la tensión aplicada, sino, simplemente, por la resistencia exterior R y las resistencias internas de los diodos y D3. Por esta razón, una vez alcanzado el valor Vd, la tensión cae bruscamente y la corriente alcanza el valor I0Rl con lo que el tiristor «conduce», sin poder controlar ya el valor de IqR con la tensión aplicada
El punto B de la característica, corresponde al valor Vf, tensión de funcionamiento, que es el valor en voltios de la caída de tensión en los diodos Dj y D3, conjuntamente.
Si se invierte la polarización, los diodos D1 y D3 se encuentran polarizados inversamente y D2 queda en sentido directo, con lo que esta parte de la característica es idéntica, prácticamente, a la de un diodo. Obsérvese que a pesar de que los tiristores poseen ciertas analogías con los transistores, se diferencian en todo lo relativo al control de la corriente que circula por ellos. Mientras que con un transistor, esta corriente está controlada por la acción de lá base, en un tiristor no existe ningún control sobre la misma después del momento inicial del disparo.
Es preciso, por lo tanto, definir algún procedimiento de bloqueo del tiristor, de forma que pueda volver a estar controlado por cualquiera de los mecanismos que enseguida veremos. Este procedimiento consiste en aplicar entre añodo y cátodo una tensión inversa (con el negativo sobre el ánodo y el positivo sobre el cátodo). De esta manera, el tiristor pasará al estado de «bloqueo» en un corto período de tiempo, denominado «tiempo de bloqueo» o, en inglés, «turn off time». La tensión inversa podrá, seguidamente, ser desconectada, manteniéndose el tiristor en la situación adquirida.

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Fig. 1.—Montaje experimental y característica de funcionamiento W un tiristor, obtenida al variar los valores de ¡a tensión de polarización, VA por medio de la fuente de tensión variable  E.

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Fig. 2.—Estructura de las cuatro regiones semiconductoras de un titistor, A la derecha, se detalla el símbolo de dicho componente.

 

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El diodo de potencia

Hecho este breve, aunque necesario, recordatorio, entremos ya de lleno en el tema que nos afecta, es decir, en las particularidades de los diodos de «potencia».Un diodo de potencia no es más que un diodo semiconductor de silicio (diodo de unión), cuyas características constructivas le permiten soportar corrientes directas muy elevadas, así como temperaturas de régimen y tensiones inversas muy superiores a las correspondientes a los diodos convencionales o de intensida­des débiles. Mientras que para los diodos de baja y media potencia se em­plea el plástico como material de encapsulado (hasta un límite de un vatio, aproximadamente), por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico, y en potencias elevadas deberá estar, la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de calor, por medio de un sistema de sujeción consistente, en’ general, en dar al cátodo la forma de un cilindro roscado. De esta manera, el diodo puede ser «atornillado» sobre el disipador.

En otros casos, la sujeción se realiza mediante una placa atornillada al radiador, que. presiona la base del diodo (cátodo) sobre el mismo, logrando una buena fijación y un contacto eléctrico adecuado.

Otra variante consiste en la utilización de diodos tipo «press-pak», que son dispositivos en forma de cilindro con dos caras planas, correspondientes a sus dos terminales, cada una de las cuales tiene un pequeño alojamiento cilíndrico en su centro. La sujeción se realiza produciéndolo a presión entre dos «mordazas», dotadas (cada una de ellas) de un pivote de referencia que se aloja en el agujero correspondiente de la cara del diodo.

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Fig.3 : A la izquierda croquis de un diodo de potencia con su cátodo roscado. A la derecha, detalles de la fijación del disipador.

estar, la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de calor, por medio de un sistema de sujeción consistente, en’ general, en dar al cátodo la forma de un cilindro roscado. De esta manera, el diodo puede ser «atornillado» sobre el radiador.
En otros casos, la sujeción se realiza mediante una placa atornillada al radiador, que. presiona la base del diodo (cátodo) sobre el mismo, logrando una buena fijación y un contacto eléctrico adecuado.
Otra variante consiste en la utilización de diodos tipo «press-pak», que son dispositivos en forma de cilindro con dos caras planas, correspondientes a sus dos terminales, cada una de las cuales tiene un pequeño alojamiento cilíndrico en su centro. La sujeción se realiza introduciéndolo a presión entre dos «mordazas», dotadas (cada una de ellas) de un pivote de referencia que se aloja en el agujero correspondiente de la cara del diodo.
Cuando los diodos «press-pak» son para grandes intensidades (que es el caso más frecuente de aplicación de dicho encapsulado), las mordazas de sujeción suelen ser huecas, permitiendo la

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Fig 4.  A la izquierda, diodo de potencia con cátodo plano. A la derecha sujeción del disipador por medio de una placa por medio de 4 tornillos.

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Fig. 5. A la derecha vista acotada de un diodo (Press-pack). A la izquierda conjunto de diodos  (Press-pack) con sus mordazas de sujeción. Este montaje está preparado para ser refrigerado por agua.

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 Fig. 6.—Diodo de potencia y kit de montaje : 1 ) Tuerca hexagonal 2) Arandela de acero, 3) Arandela plana, 4) Terminal de conexión, 5) y 7) Arandelas de mica. 6) Arandela de teflón.

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Fig 6. Diferentes encapsulados correspondientes a diodos de silicio de corriente media.

circulación de agua de refrigeración en circuito cerrado. La entrada se realiza por un racord exterior, que se conecta a una goma o tubo de plástico, saliendo el líquido por otro racord similar. En  la figura puede verse un montaje muy utilizado, que consta de dos diodos «press-pak» refrigerados por agua. La entrada se realiza  por los extremos, mientras que la salida es común a ambos y tiene lugar por el racord central.
En determinadas aplicaciones, el diodo está dotado de un kit de montaje, consistente en una tuerca, varias arandelas, una placa-terminal, dos arandelas de mica y un separador de teflón, que sirve para fijar el diodo al radiador cuanto éste no es lo suficientemente grueso como para poderlo roscar.
Por lo que se refiere al montaje de los diodos en sus respectivos radiadores, unas veces interesa aislar eléctricamente el cátodo del cuerpo del radiador, utilizándose para tal fin pastas dieléctricas especiales, tales como la Rhodorsil 408. En otros casos, lo que se precisa es un buen contacto eléctrico y «metálico» (para

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Fig  7. Encapsulado de ánodo flexible, correspondientes a diodos de silicio de corriente elevada.

facilitar la transmisión de calor del cátodo al radiador) entre el cátodo y el cuerpo del radiador; entonces, se emplean óxidos metálicos de carga elevada, en forma de pasta fácilmente aplicable sobre las superficies que van a estar en contacto, tal como la HÍ|| dorsil 340 (ó Silicex 433). En ambos casos, antes de aplicar la pasta se debe proceder a una limpieza esmerada de las superficies con tricloro-etileno u otro producto de similares características.
El tema de los radiadores es lo suficientemente importante como para dedicarle el espacio adecuado. Por ello, en el siguiente apartado ampliaremos detalles de los mencionados dispositivos, relativos a las características de transmisión del calor y a los aspectos constructivos de dichos radiadores.
Para concluir con esta descripción práctica de los diodos de potencia, añadiremos algunos datos relacionados con formatos y detalles constructivos de los mismos, en función de las gamas de intensidades y tensiones de utilización.
Aunque, en este caso, la generalización es difícil, podemos afirmar que para intensidades comprendidas entre 5 y 40 A (con tensiones inversas de 50 a 1.200 V), los diodos son del tipo de ánodo rígido y encapsulados 120,.123, 125 ó 126 (referencias de General Electric). Para intensidades elevadas, en la gama que va de 100 a 275 A (con tensiones inversas de 50 a 1.600 V), los diodos son de ánodo flexible (o de «trencilla») y encapsulados 127, 128 ó 129 de la misma firma. Y, por último, en la gama más alta, es decir, la comprendida entre 400 y 1.500 A (con tensiones inversas de 100 a 3.000 V), los diodos pertenecen al tipo «press-pak» ya mencionado, en dos variedades de encapsulado: la 109.1 y 182.
Como el lector intuirá, nos resulta completamente imposible facilitar Tablas de Características de diodos de potencia de éste o de otros fabricantes, —aunque sería nuestro deseo poder hacerlo—, debido a las limitaciones de espacio impuestas por el texto. Sin embargo opinamos que, al existir en el mercado infinidad de manuales dedicados a este tema, así como catálogos comerciales de los propios fabricantes, aquellos lectores que deseen profundizar en estas cuestiones no tendrán mayores dificultades.

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Fig 8. Encapsulados tipo «press-pak» de diodos de silicio para la gama más elevada de corrientes.

 

 

 

 

Conceptos básicos sobre diodos semiconductores

Como ya es sabido, un diodo semiconductor es un dispositivo constituido por una sola unión P-N que puede adoptar dos estados de funcionamiento: el de conducción y el de bloqueo.

El estado de conducción corresponde al caso en el que el diodo se encuentra polarizado «directamente», comportándose, en la práctica, como un conductor. A la corriente que circula por él en estas condiciones, se la denomina corriente directa, y su valor medio no debe sobrepasar la intensidad directa media que el diodo puede tolerar.

Sin embargo, el estado de bloqueo es aquél en el que el diodo está polarizado «inversamente», siendo su comportamiento en estas condiciones muy similar al de un aislante. A la pequeñísima corriente que circula por él en este caso, se la conoce con el nombre de corriente inversa, siendo prácticamente despreciable. La tensión negativa o tensión inversa puede adoptar, por efecto del resto del circuito exterior al diodo, valores elevados. Por ello, hay que procurar que dicha tensión inversa se mantenga por debajo de la tensión inversa máxima que el diodo puede admitir.

Todos los estados de funcionamiento comprendidos entre la polarización directa máxima y la polarización inversa máxima, están reflejados en la curvé característica de funcionamiento del diodo, que, tanto en el estado de conducción como en el de bloqueo, puede ser determinada mediante los circuitos experimentales que se detallan en las figuras que ilustran el texto.

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Fig1. Circuito experimental y curva característica inversa correspondiente a las diferentes tensiones inversas aplicadas al diodo.

 

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Fig.2. Diodo rectificador de alta potencia. La configuración de su cápsula permite montarse sobre un disipador de calor.

Diodos, introducción y caracteristicas

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Secuenciador de 10 lámparas efecto vaivén

Se ilumina circuito hasta diez  lámparas de forma secuencial, primero en una dirección y luego en la dirección opuesta, presentando así un efecto visual agradable. En este circuito, las puertas N1 y N2 forman un oscilador. La salida de este oscilador se utiliza como un reloj para BCD Up /Down CD4510 contador (IC2). Dependiendo del estado de la lógica en su pin 10, el contador cuenta hacia arriba o hacia abajo. Durante la operación de recuento, el pin 7 de IC2 sale un pulso activo bajo al llegar a la cuenta de nueve. Del mismo modo, durante la operación de cuenta atrás, de nuevo conseguir un pulso bajo va en el pin 7. Este terminal de salida de la cuenta del pin 7, después de la inversión por N3 puerta, se conecta a la clavija 14 del reloj del IC3 contador de década (CD4017), que se configura aquí como una palanca del flip-flop, devolviendo su salida Q2 en la terminal 4 a restablecer el pin 15. Por lo tanto la salida en el pin 3 del IC3 va a 0 1 lógico y la lógica del estado alternativamente en cada cuenta terminal de IC2. Inicialmente, el pin 3 (Q0) del IC3 es alta y el contador está en el estado de cuenta ascendente. Al llegar a contar con sesiones, el pin 3 del IC3 se baja y como resultado de la IC2 inicia la cuenta atrás. Cuando el contador llegue a 0 contar, de salida Q2 de IC3 momento pasa a alto para restablecerla, tomando así el pin 3 a la lógica de un estado, y el ciclo se repite. La salida del BCD de IC2 está conectado a un decodificador de CD4028 (IC4). Durante la cuenta atrás hasta la operación de IC2, las salidas de IC4  se energizan en forma secuencial de Q0 a Q9 y así activar el triac y por ende encender las lámparas de 1 al 10 en forma secuencial.. (Vaivén).

Led intermitente con IC 555

Este es un circuito muy básico para flashear uno o más LED y también a parpadear alternativamente uno o más LED. Se utiliza una configuración del temporizador 555 como un multivibrador astable con una frecuencia variable. Con el preset en su máximo. la tasa de parpadeo del LED es de aproximadamente 1 / 2 segundo. Se puede aumentar al incrementar el valor del capacitor de 10uF a un valor mayor. Por ejemplo, si se aumenta a 22uF la tasa de parpadeo se convierte en un segundo. También se ha previsto para convertirla en una luz intermitente alterna. Sólo tienes que conectar un LED y una  resistencia 330ohm como se muestra en la Fig. 2 para los puntos X e Y de la Fig. 1. Entonces, tanto los indicadores LED parpadean alternativamente. Dado que el 555 puede suministrar hasta 200mA de corriente, se  puede conectar hasta cerca de 18 LEDs en paralelo, tanto para la luz intermitente y luz intermitente alterna (que hace un total de 36 LEDs para luz intermitente alterna).

Intermitente alternativo con IC 555.

Este circuito utiliza tres 555(temporizador). Los cuales trabajan como multivibradores astable. El primer 555 tiene un período y en período de descuento igual a 1 seg. Este IC controla el periodo ON / OFF de los otros 2 555s que se utilizan para dos lámparas de flash a través de los contactos del relé. El parpadeo se produce a un ritmo de 4 destellos por segundo. Los diodos se utilizan para proteger los 555 VA de los picos. Los relés deben tener una impedancia de 50 ohmios es decir, mayor que, no deben sobrepasar a una corriente más de 200 mA. La secuencia de parpadeo es el siguiente: La lámpara conectada al primer relé parpadea durante aproximadamente 1 segundo a una velocidad de 4 destellos por segundo. A continuación, la lámpra vinculado con los destellos segundo relé de 1 segundo a una velocidad de 4 destellos por segundo. Entonces el ciclo se repite. Las formas de parpadear se puede variar cambiando los condensadores C3 y C5. Un valor más alto da una tasa más baja de parpadear. Tenga en cuenta que los valores de C3 y C5 debe ser igual y debe ser menor que la de C1. El valor de C1 controla el cambio sobre la tasa (por defecto 1 seg). Un valor más alto da una menor tasa de cambio. Si utiliza los contactos normalmente abiertos del relé, la lámpara se apagará mientras que otro es intermitente, y viceversa. Si los contactos normalmente cerrados se utilizan, una bombilla se encenderá mientras que el otro es intermitente.