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1.Interruptores de Estado Sólido
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1. Interruptores de Estado Sólido
Para realizar la conmutación electrónica de los circuitos se utilizan diversos dispositivos de estado sólido. Entre éstos figuran los siguientes:
1. Diodos
2. Tiristores y triacs
3. Transistores bipolares
4. MOSFET de potencia
2. Diodos
Un diodo tiene las características mostradas en la Figura 1, y como se puede observar, este permite el paso de una cantidad significativa de corriente sólo en una dirección. Entonces, el diodo se considera un ‘elemento direccional’ que permite el paso de corriente sólo cuando su polarización es en directa, es decir, si el ánodo es positivo respecto del cátodo. Si el diodo tiene una polarización en inversa suficiente, es decir, un voltaje muy alto, causa una ruptura. Si a un diodo se aplica un voltaje alterno, se puede considerar que está conectado sólo cuando la dirección del voltaje es tal que produce una polarización en directa; el diodo se desconecta cuando está en la dirección de polarización en inversa. El resultado es que la corriente que fluye por el diodo está rectificada a la mitad para convertirse justo en la corriente debida a la mitad positiva del voltaje de entrada (Ver Figura 2).
Figura 1: Características de un diodo
Figura 2: Rectificación de media onda
3. Tiristores y Triacs
El tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR, silicon-controlled rectifier), es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa. La Figura 3 muestra las características de un tiristor. Si la corriente en la compuerta es cero el tiristor pasa una corriente despreciable cuando la polarización es en inversa (a menos que su polarización en inversa tenga un valor elevado, de cientos de volts, cuando se produce su ruptura). Cuando esto sucede, el voltaje en el diodo desciende a un nivel bajo, de 1 o 2 V, y lo único que limita la corriente es la resistencia externa en un circuito. Por ejemplo, si el voltaje de ruptura en sentido directo es 300 V, al alcanzar este voltaje, el tiristor se activa y el voltaje desciende a 1 o 2 V. Si el tiristor está en serie con un resistor, digamos de 20 Ω (Ver Figura 4), se tiene una resistencia muy alta antes de la ruptura en serie con los 20 Ω y virtualmente todos los 300 V están en el tiristor y la corriente es despreciable. Si la ruptura ocurre en sentido directo, el voltaje en el tiristor disminuye, digamos, a 2 V; por lo tanto, ahora hay 300 – 2 = 298 V en el resistor de 20 Ω, y la corriente aumenta a 298/20 = 14.9 A. Una vez activado el tiristor permanece así hasta que la corriente en sentido directo disminuye a un valor inferior a unos cuantos miliamperes. El voltaje que produce la ruptura en sentido directo depende de la corriente que entra a la compuerta: cuanto mayor sea la corriente, menor será el voltaje de ruptura. La capacidad para manejar voltajes de un tiristor es alta y, por lo tanto, con frecuencia se usan para conectar/desconectar aplicaciones que manejan voltajes elevados. Por ejemplo, el CF106D de Texas Instruments tiene un voltaje máximo sin riesgo de disparo de 400 V y una corriente máxima de disparo en la compuerta de 0.2 mA.
Figura 3: Características de un tiristor
Figura 4: Circuito del tiristor
El triac (tiristor bidireccional) es similar al tiristor y equivale a un par de tiristores conectados en forma inversa y en paralelo al mismo chip. El triac se activa tanto en sentido directo como en sentido inverso; la Figura 5 ilustra sus características. Un ejemplo es el triac MAC212-4 de Motorola, que tiene un voltaje máximo sin riesgo de disparo de 200 V y una corriente máxima en condiciones de trabajo de 12 A rms. Los triacs son un medio sencillo y más o menos barato para controlar potencia de ca.
Figura 5: Características de un triac
La Figura 6 muestra el efecto que se produce al aplicar un voltaje alterno senoidal en: a) un tiristor y b) un triac. La ruptura en sentido directo ocurre cuando el voltaje aumenta hasta el valor de ruptura; a partir de ese momento el voltaje en el dispositivo permanece bajo.
Figura 6: Control de voltaje: a) tiristor, b) triac (tiristor bidireccional)
Un ejemplo de cómo usar estos dispositivos en aplicaciones de control, se ilustra en la Figura 7 con un tiristor para controlar un voltaje de cd con valor constante . El tiristor funciona como interruptor, mediante la compuerta para activar o desactivar el dispositivo. Aplicando una señal alterna en la compuerta se recorta el voltaje de alimentación y se produce un voltaje intermitente. De esta manera, la señal alterna aplicada a la compuerta modifica el valor promedio del voltaje de cd de salida y, por lo tanto, lo controla.
Figura 7: Control de cd por tiristor
Otro ejemplo de aplicación de control es la corriente alterna que se usa en los calentadores eléctricos, los motores eléctricos o los controladores de intensidad luminosa de los focos (dimmers). La Figura 8 muestra un circuito para control de fase, de resistencia variable y de media onda. La corriente alterna se aplica en la carga, por ejemplo en el foco del circuito de control de intensidad luminosa, y en serie con el tiristor. es un resistor limitador de corriente y un potenciómetro que establece el valor a partir del cual se dispara el tiristor. El diodo impide que la parte negativa del ciclo de voltaje alterno se aplique a la compuerta. Ajustando , el tiristor se disparará a cualquier valor comprendido entre 0° y 90° durante el semiciclo positivo del voltaje alterno aplicado. Cuando el tiristor se dispara cerca del inicio del ciclo, es decir, cerca de 0°, conduce durante todo el semiciclo positivo y a la carga se aplica el máximo voltaje. Conforme el disparo del tiristor se retrasa a un momento posterior del ciclo, el voltaje que se aplica a la carga también se reduce.
Figura 8: Circuito para control de fase
Cuando se aplica voltaje de manera súbita a un tiristor, o un triac, con la compuerta apagada, el tiristor cambia su condición de desactivado a activado. Un valor de voltaje característico que permite producir este efecto es del orden de 50 V/µs. Si la fuente de alimentación es un voltaje de cd, el tiristor puede continuar en el estado de conducción anterior hasta que se produce una interrupción del circuito. Para evitar este brusco cambio del voltaje de alimentación que causa este efecto, se controla la razón de cambio de voltaje con respecto al tiempo, es decir, ; para ello se usa un circuito amortiguador o de frenado (snubber), que consta de un resistor conectado en serie con un capacitor que se coloca en paralelo con el tiristor (Ver Figura 9). La capacitancia, , del circuito amortiguador está dada por:
y su resistencia, :
donde es la resistencia de la carga y su inductancia.
Figura 9: Circuito amortiguador o de frenado (snubber)
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