Componentes para electrónica de potencia

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Componentes para electrónica de potencia
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]


Componentes para electrónica de potencia

Resumen: 

En este artículo se describen las características principales de los componentes de estado sólido que se utilizan en los circuitos electrónicos de potencia modernos.


Desarrollo:

Generalidades

En la actualidad las distintas formas de conversión electrónica de potencia (CA/CC, CC/CA, CA/CA y CC/CC) se realizan principalmente por medio de elementos construidos con junturas semiconductoras P-N de silicio, habiendo caido en desuso las válvulas de descarga al vacio o en atmósfera de vapor de mercurio.

Para manejar las altas intensidades y tensiones que requiere la conversión de potencia, es habitual que deba recurrirse a la refrigeracion de los elementos y que se dispongan numerosas ramas en paralelo, conteniendo cada una varios elementos conectados en serie.

Generalmente, a los efectos de mantener la continuidad del servicio, se debe sobredimensionar la instalación, de manera que ante la falla de 1, 2 y a veces más elementos, el semiconductor averiado se separe del circuito y el equipo conversor prosiga con su operación hasta que el personal de mantenimiento reponga los elementos averiados.

También debe considerarse que los semiconductores presentan una dispersión de sus características internas, que originan conmutaciones no simultáneas y una distribución despareja de las tensiones y corrientes aplicadas sobre los distintos elementos.

Los semiconductores resultan muy sensibles a las sobreintensidades y cambios de temperatura, presentando una característica límite de sobrecarga mucho mas exigente que la de otros dispositivos, por lo que deben protegerse con fusibles especiales. Estos elementos también son sensibles a las sobretensiones transitorias que aparecen durante las conmutaciones, por lo que cada elemento generalmente tiene un circuito RC en paralelo para evitar un crecimiento muy rápido de la tensión en la juntura y para producir un mejor reparto de la tensión aplicada sobre los elementos conectados en serie, considerando la dispersión de sus características internas. En algunos casos también se instalan varistores de óxido metálico en paralelo con cada elemento.

Los regímenes de trabajo para los semiconductores de potencia se establecen sobre las bases de numerosos ensayos, y expresan las recomendaciones del fabricante acerca de las máximas solicitaciones a que pueden someterse los mismos, sin hacer peligrar su capacidad de funcionamiento.

La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a diversas causas. Sin embargo, también pueden aparecer picos de corriente en el caso de arranque de motores, conexión de capacitores, utilización en régimen de soldadura, etc. 
Estas sobrecargas se traducen en una considerable elevación de temperatura en la unión, que si no es capaz de evacuar el calor generado, pasa de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica). 

Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total, son pocos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles del tipo "ultrarrápido" que se montan directamente en serie con cada elemento semiconductor para proveer un seccionamiento selectivo y garantizar la continuidad del servicio citada anteriormente.

El tamaño de la pastilla semiconductora donde se realiza la o las uniones P-N que integran el componente varía principalmente con la intensidad nominal, que depende a su vez de la aplicación de uso. Su encapsulado y su forma de montaje resultan asimismo muy variados, en función de dicha intensidad nominal. En todos los casos, para mas detalles, siempre resulta aconsejable consultar las hojas características provistas por los fabricantes.


Unión P-N

A manera de repaso, recordemos que en una juntura semiconductora P-N elemental se pone en contacto un semiconductor de tipo P (con huecos positivos como portadores mayoritarios) con un semiconductor de tipo N (con electrones como portadores mayoritarios). 

Sin tensión aplicada, y debido a un fenómeno de difusión, los electrones libres de la región N tienden a moverse hacia la región P, atravesando la unión; y otro tanto pasa con los huecos del tipo P, que tratan de dirigirse hacia la región N. Cada electrón que cruza la unión P-N se combina con un hueco del otro tipo de semiconductor, neutralízándose las cargas. Igualmente, cada hueco que atraviesa la unión se combina con un electrón libre. Así forman una franja neutra en la zona de unión. 

Sin embargo esta migración hace que el resto de la región P quede polarizada negativamente y el resto de la región N quede polarizada positivamente. Esta polarización impide que prosiga la difusión, por el establecimiento de una barrera de potencial entre ambos lados de dicha zona de transición, dando lugar al "potencial de unión". 

Si a la unión P-N se le aplica una tensión externa que anule la barrera de potencial, se renovará la migración y la juntura pasará al estado de conducción (polarización directa). 
Por el contrario, si se aplica una tensión externa del mismo sentido que el potencial de unión, que refuerce la barrera de potencial, la juntura entrará en el estado de no-conducción (polarización inversa). 

Sin embargo, si se sobrepasa cierto valor de tensión, llamado "tensión inversa de ruptura" que depende de las características físicas de la unión, el paso de portadores minoritarios muy acelerados arranca nuevos pares al cristal, que a su vez incrementan la corriente inversa originando nuevos pares. El proceso es regenerativo y puede llegar a destruir la juntura por calentamiento en la zona de la unión donde comienza la ruptura o avalancha. 

Por lo visto, estas uniones de estado sólido de potencia se caracterizan por ser básicamente unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de polarización directa de la juntura; presentando así dos estados contrapuestos. En estado de conducción deben ser capaces de admitir una alta intensidad con una pequeña caída de tensión, mientras que en sentido inverso, deben poder soportar una fuerte tensión inversa con una intensidad de fuga muy pequeña. 

A continuación se describen las características principales de los componentes de estado sólido basados en esta unión, que se utilizan en los circuitos electrónicos de potencia modernos. 
Cabe señalar que tal exposición presenta los conceptos básicos muy resumidos, con el objeto de recordar conceptos generales que se suponen familiares para el lector.


A - Diodos

Los diodos de potencia son componentes electrónicos que permiten el paso de la corriente en una sola dirección, y que por lo tanto se usan para rectificación. Están construidos básicamente con una juntura P-N simple, cuyo comportamiento básico se analizó en el apartado anterior. 
Complementando tal exposición, en los párrafos siguientes se analizarán los parámetros típicos de los diodos.

1 - Características estáticas 

1.1 - Parámetros en conducción

La conducción de corriente en sentido directo determina la mayor parte de las pérdidas de potencia en el diodo, que asimismo contribuyen a su calentamiento. Por lo tanto, esta característica resulta fundamental para la mayoría de los regímenes de máxima corriente, que también dependen de la temperatura.
Además, en los diodos de silicio normalmente se produce una caída de tensión en la barrera de la juntura que oscila entre los 0,6 y los 0,8 V dependiendo de la temperatura y de la concentración de impurezas en la unión.

Los valores de corrientes a considerar son:

>Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar. 

>Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 mseg, con una duración de pico a 1 mseg, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25 ºC). 

>Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 mseg. Su valor es importante en el caso de corrientes de conexión, por ejemplo debidas a la maniobra de capacitores. 

>Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. 


1.2 - Parámetros en bloqueo

Cuando se aplica una tensión inversa "moderada" a un rectificador de silicio, a través del mismo fluye una pequeña corriente de fuga. A medida que la tensión inversa se va incrementando la corriente de fuga crece lentamente, hasta que en determinado valor se produce un aumento muy brusco de la corriente de fuga, que en los diodos de potencia da lugar a un embalamiento térmico que puede destruir al semiconductor. A esta tensión inversa se la llama tensión de ruptura, de avalancha o de Zener.

Los valores de tensiones a considerar son:

>Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. 

>Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 mseg, repetidos cada 10 mseg de forma continuada. 

>Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10 mseg cada 10 minutos o más. 

>Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 mseg el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. 

>Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. 


1.3 - Modelos estáticos del diodo 

Los distintos modelos del diodo son:

>Modelo ideal: resistencia cero en el sentido directo e infinita en el sentido inverso (diodo ideal).

>Modelo ideal con fuente de tensión: diodo ideal en serie con una fuente de tensión de valor igual a la tensión de barrera de la unión o juntura.

>Modelo ideal con fuente de tensión y resistencia: diodo ideal en serie con una fuente de tensión de valor igual a la tensión de barrera y con una resistencia igual a la del diodo en conducción.

Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos. 

Estos modelos se suelen emplear para cálculos simples, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE y similares. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa. 


2 - Características dinámicas 

2.1 - Tiempo de recuperación inverso

El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante, dando lugar a una pequeña corriente inversa de recuperación. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores. Entonces:

>Tiempo de almacenamiento (ta): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. 

>Tiempo de caída (tb): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. 

>Tiempo de recuperación inverso (trr): es la suma de ta y tb. 

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". 


2.2 - Influencia del trr en la conmutación

Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : 

>Se limita la frecuencia de funcionamiento, pues a altas frecuencias disminuye abruptamente el rendimiento de la rectificación.

>Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa, que puede llegar a producir sobrecalentamiento y destrucción del diodo. 

Para altas frecuencias, por lo tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida. 

Factores de los que depende trr : 

>A mayor IRRM menor trr. 

>Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la carga almacenada, y por tanto mayor será trr. 


2.3 - Tiempo de recuperación directo

El tiempo de recuperación directo (tfr): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF. 

Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables. 


3 - Potencias 

3.1 - Potencia máxima disipable (Pmáx)

Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo. 


3.2 - Potencia media disipada (PAV) 

Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas. 

Generalmente el fabricante incluye tablas en las hojas de características, que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. 

Otro dato que puede dar el fabricante son las curvas que relacionan la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media). 


3.3 - Potencia inversa de pico repetitivo (PRRM) 

Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. 


3.4 - Potencia inversa de pico no repetitivo (PRSM) 

Similar a la anterior, pero dada para un pulso único. 


4 - Características térmicas 

4.1 - Temperatura de la unión (Tjmáx) 

Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión o juntura del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. 
En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo. 


4.2 - Temperatura de almacenamiento (Tstg) 

Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura. 


4.3 - Resistencia térmica unión-contenedor (Rthjc) 

Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante, se puede calcular mediante la fórmula: 

Rthjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx 

Donde Tc es la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable. 


4.4 - Resistencia térmica contenedor-disipador (Rthcd) 

Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigerante). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc). 


5 - Características mecánicas

Las mismas comprenden diversas instrucciones particulares de instalación, entre las que por ejemplo, se puede citar la cupla de montaje de las tuercas de fijación.


6 - Protección contra sobreintensidades 

Los diodos presentan un límite de la sobrecarga que pueden soportar, expresado como un valor I²t que pueden admitir, expresado habitualmente para una duración de 10 mseg. 

Habitualmente la protección se realiza por medio de fusibles del tipo "ultrarrápido" que, como su nombre lo indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus caracterísitcas indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el fusible no sólo se especifica por su valor eficaz de corriente, sino también con su I²t y su tensión. 
El parámetro I²t de un fusible depende de la caracterísitca de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en Ampere. 

Debe escogerse un fusible de valor I²t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el diodo. Es necesario que exista una coordinación total entre la característica de corte del fusible y la característica límite del rectificador, considerando la dispersión de esta última. 

Una variante de estos semiconductores son los diodos de Zener. Si bien este componente no suele manejar potencia, tiene un gran campo de aplicación en los circuitos asociados. Estos diodos están construidos básicamente con una juntura P-N simple, diseñada para que el efecto de ruptura por avalancha se produzca a baja tensión (normalmente entre 3 V y 25 V) y en toda el área de la unión al mismo tiempo. 
Lo primero se consigue dopando una de las zonas mucho más que la otra, con lo que la zona de carga espacial se estrecha muchísimo y el campo eléctrico acelerador de los portadores minoritarios se eleva aún con baja tensión de polarización inversa. Lo segundo exige una gran uniformidad en estructura cristalina y dopado. 

La curva característica presenta una zona casi vertical en la región de polarización inversa que es la que normalmente utiliza este tipo de diodo. A partir de un cierto valor de la tensión, o "tensión de Zener Vz" la corriente inversa se eleva apreciablemente. 
En tales circunstancias, el circuito equivalente consta de una fuente de tensión constante Vz y una pequeña resistencia en serie. En conducción directa y en bloqueo, los circuitos equivalentes son iguales a los del diodo normal, salvo que la caída de tensión de barrera es de 1 V para el silicio, en lugar de 0,7V. 

El diodo de Zener se usa para realizar estabilizadores y limitadores de tensión, aprovechando su característica de tensión constante entre sus extremos, y se suelen clasificar fundamentalmente por el valor de Vz, además de la corriente nominal y la corriente mínima para alcanzar la Vz (Iz). 


Finalmente digamos que como el diodo está formado por una juntura P-N, los restantes componentes de potencia de estado sólido comparten gran parte de las características típicas del diodo, y por lo tanto no se reiterarán.


B - Transistores

El objetivo originario de los transistores era la amplificación de bajas señales, pero en la actualidad también se los utiliza para conmutación de potencia a gran velocidad, ya que puede cambiar su resistencia rápidamente en función de la señal inyectada en su electrodo de control.

Su descripción más frecuente es como un dispositivo de tres terminales construido con una o dos uniones P-N (aunque en rigor hay otros elementos que responden a esta descripción). 

El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores de baja señal, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. 
Adicionalmente se procura obtener pequeñas fugas, bajos tiempos de respuesta, que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado y que no se produzcan puntos calientes. 

Los transistores se clasifican en dos grandes grupos: los transistores bipolares de unión (BJT), y los de efecto de campo (FET) o unipolares. 

1- Transistores bipolares

Este tipo de transistor está formado por dos uniones P-N. Puede estar construido por una parte de semiconductor N en medio de dos partes de semiconductor P (PNP) ó por una parte de semiconductor P en medio de dos partes de semiconductor N (NPN). Cada una de estas tres secciones que forman el transistor bipolar recibe un nombre diferente: la intermedia es la base y las extremas son el emisor y el colector, que se diferencian por su capacidad.

Este tipo de transistores puede verse como dos diodos en serie. Se pueden presentar tres modos de trabajo para estos transistores, dependiendo del signo de los tensiones de polarización en cada una de las uniones del transistor. Si el diodo del emisor (Je) está directamente polarizado y el diodo del colector (Jc) se encuentra inversamente polarizado, está funcionando en el modo activo. Si las dos uniones están directamente polarizadas se denomina modo de saturación, y si están inversamente polarizadas se dice que el transistor está en modo de corte. En rigor también existe un modo activo inverso con polarización inversa de Je y polarización directa de Jc, pero es usado raramente. 

En el modo activo, la polarización directa del diodo del emisor controla la altura de la barrera de potencial respectiva, y por lo tanto, la cantidad de portadores que pasan del emisor a la base, y luego continúan su viaje hacia el diodo del colector que se encuentra inversamente polarizado. De esta forma, la pequeña corriente de base controla la cantidad de portadores que pasan del emisor al colector. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación, la que se caracteriza por el factor beta que resulta del cociente entre la corriente de colector y la de la base, con tensión emisor-colector nula.

Beta= [Ic/Ib]Vce=0

Por otro lado, en el modo de corte, la operación corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto, ya que las corrientes que circulan por el transistor son casi nulas, pues se deben a la corriente de los diodos en inversa. Finalmente en el modo de saturación, la operación corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado. 

Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo. Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector-base y base-emisor, y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.

Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro. 
Por eso habitualmente se buscan bajos tiempos de respuesta, para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento. 

2 - Transistores de efecto de campo

El principio de funcionamiento del transistor de efecto de campo o FET se basa en el control de la resistencia que presenta un material semiconductor al paso de la corriente, por medio de un campo eléctrico perpendicular a la dirección de esta ultima. 

Así, por ejemplo en un FET con electrodo de control aislado (ver mas adelante), mediante una tensión aplicada a dicho electrodo, por efecto capacitivo se varia la conductancia de una porción del cuerpo semiconductor o sustrato, ubicada debajo de un dieléctrico aislador. Dicha porción se denomina canal y las dos regiones semiconductoras en contacto con sus extremos, por donde entra y sale la corriente, se designan fuente o source (S) y drenaje o drain (D). El electrodo de control se denomina compuerta o gate (G). En la corriente que circula por el canal predominan absolutamente los portadores mayoritarios, siendo los minoritarios irrelevantes para el funcionamiento del transistor. Por esta razón el FET es un transistor unipolar, a diferencia del transistor bipolar de juntura, donde ambos tipos de portadores importan, especialmente en la base. 

El transistor de efecto de campo se caracteriza principalmente por la insignificante potencia que consume en conmutación y su alta impedancia de entrada. Una primera clasificación de los FET contempla la forma en que se origina y controla el campo eléctrico; pudiendo ser:

Transistor de efecto de campo de unión o JFET, en el cual el campo eléctrico de una juntura inversamente polarizada, constituida por el canal y otro material semiconductor unido a la compuerta, controla la conductancia del primero según el valor de la tensión inversa aplicada. 

Transistor de efecto de campo con electrodo de control aislado o IGFET, caracterizado por tener la compuerta aislada del canal por una capa de oxido de silicio. Actualmente se fabrican entre otros, los siguientes dispositivos IGFET:

Transistor de efecto de campo - metal - oxido – semiconductor o MOSFET, cuyo nombre deriva de los tres materiales que aparecen al realizar un corte vertical en su estructura. Hasta hace poco los términos IGFET y MOS eran sinónimos.

SILICON GATE FET, difiere de MOS en que la compuerta es de silicio policristalino, en lugar de ser metálica. Se consigue así controlar la conductividad del canal a partir de tensiones de compuerta mas bajas. 

SOS ("Silicon On Saphire FET"), en el cual el canal semiconductor de silicio esta depositado sobre un sustrato aislante de zafiro, en lugar de un sustrato semiconductor de silicio. De esta manera se alcanzan velocidades de conmutación mas altas.

DMOS (MOS de Doble Difusión), que presenta un canal de corta longitud para permitir muy altas velocidades de conmutación, gracias al breve tiempo de transito de los portadores por el citado canal.

Una segunda clasificación tiene en cuenta la conductancia del canal cuando a la compuerta no se le aplica ninguna tensión. Asi se tiene: 

FET de canal normalmente conductor o de vaciamiento ("Depletion FET"), que permite en las condiciones mencionadas el pasaje de corriente entre los extremos fuente y drenaje del canal, cuando entre los mismos se aplica tensión. Los JFET solo admiten este tipo de funcionamiento, que también puede darse en los IGFET. 

FET de canal normalmente abierto, o no conductor, o de enriquecimiento ("enhancement FET"): en este FET sin tensión en la compuerta no circula prácticamente corriente entre los terminales fuente y drenaje al aplicárseles tensión. 

Por último, por la naturaleza del canal conductor, los transistores de efecto de campo pueden ser de dos tipos: 

FET de canal P: Los portadores mayoritarios que circulan por el canal son huecos.

FET de canal N: Los portadores que circulan por el canal son electrones. 

En los circuitos digitales integrados se emplean los IGFET. En conmutación se prefiere el FET de "enriquecimiento", que conduce corriente solo cuando la tensión aplicada a la compuerta supera cierto nivel. 

3 - Consideraciones adicionales

La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre compuerta y fuente. 

Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o compuerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales. 

Los transistores tienen un modelos equivalentes que permiten aplicar los métodos tradicionales de análisis de circuitos (mallas, nodos). Estos modelos se obtienen del estudio de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los transistores. 
Existen varios modelos para simular el comportamiento del transistor en alterna, pero el más popular es el modelo de cuadripolo en parámetros h.

En el mismo, a la entrada, la señal se encuentra con una resistencia hie en serie con una fuente de tension dependiente de la tension colector-emisor, (hre * Vce). A la salida, una fuente de corriente refleja la dependencia entre la corriente de colector y la corriente de base, (hfe * ib) y la resistencia 1/hoe en paralelo con la fuente representa la resistencia de salida. 

Trabajar con los parámetros h constituye una gran ventaja ya que se puede sustituir el transistor por este sencillo circuito que permite hallar la expresión de la señal de salida en función de la señal de entrada y de los parámetros del transistor.

El transistor tiene unos limites electrónicos que condicionan su utilización. Teniendo en cuenta que el transistor se compone de diodos, es de suponerse que los limites serán parecidos a los del diodo. A modo de ejemplo, presentamos algunos: 

Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. Icav, corriente media por el colector). 

Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (Icm) o de drenador (Idm). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo. 

Vcbo: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto. 
Vebo: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto. 

Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET). 


C - Tiristores 

Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia, operando como conmutadores biestables, pasando de un estado conductor a un estado no conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas limitaciones. 

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas alternadas de estructura PNPN con tres uniones P-N intermedias y tiene tres terminales accesibles denominados ánodo, cátodo y compuerta (o gate). El ánodo corresponde al extremo P, el cátodo al extremo N y la compuerta de control generalmente corresponde a la capa intermedia P. Este semiconductor funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido.

Cuando la tensión del ánodo se hace ligeramente positiva con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 quedan con polarización directa. La unión intermedia J2 tiene polarización inversa, y en consecuencia sólo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente de fuga correspondiente como corriente de estado inactivo Id. 

Si la tensión ánodo a cátodo Vac se incrementa hasta un valor suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura al llegar a su tensión de Zener. Esto se conoce como ruptura por avalancha y la tensión correspondiente se llama tensión de ruptura directa Vbo. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. 

La caída de tensión en conducción se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1V. La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche Il, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse la tensión del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, Il, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y no posee señal de la compuerta. 

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento de vida para los movimientos libres de los portadores. 

Sin embargo, si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento o reposo Ih, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento Ih es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. En la práctica, la corriente de mantenimiento resulta ser menor que la corriente de enganche, Il.

Cuando la tensión del ánodo es negativa con respecto a la del cátodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa Ir, fluirá a través del dispositivo. 

Cuando se dispone un tiristor en un circuito electrónico trabajando en conmutación, para cebarlo se utiliza un pulso de compuerta que genera una corriente inicial entre la compuerta y el cátodo, para después propagar la conducción al resto del dispositivo de forma muy rápida. 

Una de las formas de analizar este funcionamiento es considerar al tiristor como dos transistores complementarios unidos, de manera que la base del PNP se une al colector del NPN, la base del NPN se une al colector del PNP formando la compuerta, el emisor del PNP actúa como ánodo y el emisor del NPN opera como el cátodo del tiristor.

Al aplicar un potencial positivo a la compuerta (base del NPN), se produce la conducción del NPN. Como la intensidad de salida de su colector es la de la base del PNP, le aumenta su conducción, y esto a su vez aumenta la intensidad de su colector, que es la base del NPN, haciéndole conducir más, repitiéndose este ciclo hasta que el tiristor pierde casi toda su resistencia entre ánodo y cátodo.

Una vez arrancado en condiciones normales, se puede anular la tensión de compuerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga pase por cero; por ello, trabajando en c.a. el tiristor se desexcita en cada alternancia o ciclo. 

Además hay que considerar que el tiristor no tendrá un cebado efectivo hasta que la corriente de ánodo alcance el valor de la corriente de enganche Il, por lo que no debe suprimirse el pulso de puerta antes de alcanzar dicho valor. En esta condición, la extinción del tiristor también se produce cuando la corriente de ánodo cae por debajo de la corriente de mantenimiento Ih.

Si durante el cebado, el circuito exterior genera un crecimiento rápido de la corriente, como la caída de tensión entre ánodo y cátodo no disminuye de forma instantánea, puede producirse un consumo de potencia importante que puede llevar a la destrucción del tiristor por variación de la corriente (di/dt).

Cuando se produce un crecimiento muy rápido de la tensión entre ánodo y cátodo en el bloqueo, esta dv/dt puede producir el cebado del tiristor, aún en ausencia de la señal de compuerta. Un valor alto de corriente puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores. 

Por otro lado, si la temperatura de un tiristor es alta, habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes puede dar lugar a una acción regenerativa que puede producir el cebado del tiristor. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita. 

Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio (fototiristores). 

Como valores importantes para definir el funcionamiento de un tiristor se suelen considerar:

-Tensión máxima inversa admisible (Vinvmax) entre ánodo y cátodo.
-Tensión directa máxima admisible (Vdmax).
-Caída de tensión directa durante la conducción (Vd).
-Corriente de continua o eficaz en funcionamiento (Ic).
-Corrientes de fuga directa (If) e inversa (Ir).
-Corriente de reposo (Ih).
-Temperatura de funcionamiento (T).

Además es importante analizar las características de mando del tiristor que permitirán definir la potencia necesaria para el arranque. Se deben considerar los siguientes parámetros:

-Tensión máxima directa de compuerta (Vgmax).
-Tensión inversa máxima de compuerta (Vginmax).
-Corriente máxima de compuerta (Igmax).
-Potencia máxima disipable (Pgdis).
-Tensión mínima directa de compuerta (Vgmin).
-Corriente mínima de compuerta (Igmin).

Entre los tiristores se pueden encontrar diferentes categorías atendiendo a sus distintos procedimientos de fabricación y constitución propios. Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión y para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. 

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías: 

1. Tiristores de control de fase (SCR). 
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR). 
3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 
4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 
5. Tiristores de conducción inversa (RTC). 
6. Tiristores de inducción estática (SITH). 
7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR) o fototiristores.
8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH) 
9. Tiristores controlados por MOS (MCT) 

Una variante de estos dispositivos de cuatro capas semiconductoras alternadas es el diodo Shockley que es como el tiristor, pero sin conexión de compuerta. 
Cuando se polariza directamente con una tensión reducida, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa, la unión intermedia J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. 
Si la tensión crece hasta un valor suficientemente grande, la unión J2 entrará en ruptura. y habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. 
Cuando el diodo Shockley se polariza inversamente se comporta exactamante igual que un diodo con dicha polarización.

Finalmente digamos que en lo que respecta a la electrónica de potencia, la variante mas importante del tiristor es el triac.


D - Triac

El triac (triode AC conductor) es un rectificador controlable por compuerta similar al tiristor, con la particularidad de que es capaz de conducir en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. 

Se puede considerar a un triac como si fueran dos tiristores conectados en paralelo y en oposición (antiparalelo), con una conexión de compuerta común que controla el cebado de ambos. Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere. Dado que es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo, llamándoselos simplemente T1 y T2.

El triac tiene fugas en bloqueo y caída de tensión en conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión. 

No es necesario que esten presentes ambas polaridades en las señales de la compuerta y un triac puede ser activado con una sola señal positiva o negativa de compuerta. 
En la práctica, la sensibilidad varía de un cuadrante a otro. El triac normalmente opera en el cuadrante I (tensión y corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante III (tensión y corriente de compuerta negativos). 

El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. 

Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa. Cuando se encuentra en conmutación la dv/dt puede producir también el cebado. En lo referente a la variación di/dt aparecen dificultades idénticas a las de los tiristores.

El triac se desactiva automáticamente cada vez que la corriente pasa por cero, por lo que con c.a. es necesario redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la señal de control activada durante el tiempo que se considere oportuno. 

Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]