I.-DIODO ZENER:
1.-Definición
El diodo Zener es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener. El diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan comportamientos similares a estos, pero los mecanismos involucrados son diferentes. El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente.
Si a un diodo Zener se le aplica una corriente eléctrica de ánodo al cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico. Pero si se le suministra corriente eléctrica de Cátodo a Ánodo, el diodo solo dejara pasar un voltaje constante.
En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado al revés para que adopte su característica de regulador de tensión. 2.-Características
a.- Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener.- Es la tensión que el zener va a mantener constante. b.- Corriente mínima de funcionamiento .- Si la corriente a través del zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornas. c.- Potencia máxima de disipación . Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.
3.- Símbolo
Su símbolo es como el de un diodo normal pero tiene 2 terminales a los lados. Este diodo se comporta como un diodo convencional en condiciones de alta corriente, porque cuando recibe demasiada corriente se quema.
Símbolo del Diodo Zener
4.-Efecto Zener
El efecto Zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en bornas del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él. 5.-Funcionamiento
El Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornas a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de Zener máxima que puede disipar. El diodo Zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa. Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.
Su polarización es siempre en inversa:
Analizando la curva del diodo zenerse ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo Zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. 6.- ¿Qué hace un regulador con Zener?
Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga. Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente. 7.-Diodos zener y aplicaciones:
La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila).
a.-El diodo zener es un diodo que tiene un voltaje de
avalancha relativamente bajo, menor de 100v. Aunque puede funcionar como rectificador la mayoría de aplicaciones se basan en hacerlo funcionar en la zona de avalancha, allí el diodo conduce y mantiene un voltaje entre sus terminales que es el voltaje Zener (V Z) o de avalancha. La máxima corriente que puede conducir es:
b.- Diodo zener como elemento de protección:
Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de fuente crece por encima de V Z el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor a VZ. No se debe usar cuando VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se daña el diodo. Se aplica acompañado de lámparas de neón o de descargadores de gas para proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos. c.- Diodo zener como circuito recortador:
Se usa con fuentes AC o para recortar señales variables que vienen de elementos de medición (sensores). Cuando VX tiende a hacerse mayor que VZ el diodo entra en conducción y mantiene el circuito con un voltaje igual a V Z.
d.- Conexión antiparalelo: antiparalelo:
Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo.
Si el circuito tiene una resistencia equivalente R C la corriente en el diodo es:
e.-Diodo zener como regulador de voltaje:
Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él consume más corriente, esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el rectificador y el condensador de filtro, en los adaptadores ACDC y en las baterías. Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya el consumo de corriente. Una de las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener. El cálculo del circuito se calcula así:
f.- Referencia de voltaje:
Los diodos Zener son construidos de manera que VZ es muy exacto y se mantiene constante para diferentes valores de I Z, esto permite que un Zener se use en electrónica como referencia de voltaje para diferentes aplicaciones.
II.-TIRISTOR: 1.-Definición
Es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los tiristores son un grupo de dispositivos semiconductores diseñados especialmente para trabajar en regímenes de altas corrientes y/o altos voltajes, sus aplicaciones principales son en el campo de la electrónica de potencia. La mayoría de tiristores tienen dos estados: corte y conducción y en el caso de conducción la corriente no está determinada por el dispositivo sino por el circuito de carga. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. 2.-Componentes
Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP). 3.-Origen
Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric.
4.-Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al
mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la
inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del
número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor
que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de
este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo. 5.-Funcionamiento 5.-Funcionamiento básico
El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo.
Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión). Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de d e disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF > ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo 6.-Aplicaciones
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes. También son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna. En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de energía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente queden dañados.
El tiristor también se puede usar en conjunto con un diodo Zener enganchado a su puerta, de forma que cuando el voltaje de energía de la fuente supera el voltaje zener, el tiristor conduce, acortando el voltaje de entrada proveniente de la fuente a tierra, fundiendo un fusible. La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe, por ejemplo. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar
el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.
Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir, para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos. Otras aplicaciones comerciales son en: o
o
o
Electrodomésticos (iluminación, calentadores, control temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores).
de
Herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de baterías). Equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...)
7.-Fabricación
Técnica de Difusión-Aleación: Difusión-Aleación:
La parte principal del tiristor está compuesta por un disco de silicio de material tipo N, 2 uniones se obtienen en una operación de difusión con galio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del disco. En la cara exterior se forma una unión, con un contacto oro-antimonio. Los contactos del ánodo y cátodo se realizan con molibdeno. La conexión de puerta se fija a la capa intermedia (tipo P) usando aluminio. Esta técnica se usa solamente para dispositivos que requieren gran potencia.
Técnica "Todo Difusión":
Se trata de la técnica más usada, sobre todo en dispositivos de mediana o baja intensidad, el problema principal de esta técnica reside en los contactos, cuya construcción resulta más delicada y problemática que en el caso de difusión-aleación. Las 2 capas P se obtienen por difusión del galio o el aluminio, mientras que las capas N se obtienen mediante el sistema de máscaras de óxido. El problema principal de este método radica en la multitud de fases que hay que realizar. Aunque ciertas técnicas permiten paralelizar este proceso.
Técnica de Barrera Aislante:
Esta técnica es una variante de la anterior. Se parte de un sustrato de silicio tipo N que se oxida por las dos caras, después en cada una de las 2 caras se hace la difusión con material tipo P. Una difusión muy duradera y a altas temperaturas produce la unión de las 2 zonas P. Después de este proceso se elimina todo el óxido de una de las caras y se abre una ventana en la otra, se realiza entonces en orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P. Después de una última difusión N el tiristor ya está terminado a falta de establecer las metalizaciones, cortar los dados y encapsularlos. 8.-Principales variantes de tiristores
Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR); otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Dentro del grupo de tiristores tenemos los siguientes dispositivos: • • • • • • •
SCR: Rectificador controlado de silicio TRIAC GTO: SCR con compuerta de apagado SUS: Interruptor unilateral de silicio DIAC IGBT: Transistor bipolar de compuerta esislada Mosfet de potencia.
El transistor de una unión (UJT) es un dispositivo que se usa para el disparo de tiristores. Los Tiristores más usados son el SCR y el TRIAC
III.-TRIAC 1.-Definición
Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
2.-Estructura
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
3.-Aplicaciones 3.-Aplicaciones más comunes
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como interruptor electrónico y también a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.
Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido. 4.-Control de fase (potencia)
En la figura "control de fase" se presenta una aplicación fundamental del triac. En esta condición, se encuentra controlando la potencia de AC a la carga mediante la conmutación de encendido y apagado durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de entrada. La acción de este circuito durante la parte positiva de la señal de entrada, es muy similar a la encontrada para el diodo Shockley. La ventaja de esta configuración es que durante la parte negativa de la señal de entrada, se obtendrá el mismo tipo de respuesta dado que tanto el diac como el triac pueden dispararse en la dirección inversa. La forma de onda resultante para la corriente a través de la carga se proporciona en la figura "control de fase". Al variar la resistencia R, es posible controlar el ángulo de conducción. Existen unidades disponibles actualmente que pueden manejar cargas de más de 10kW. (Boylestad)
IV.-Regulador 1.-Definición
Un regulador de voltaje (también llamado estabilizador o acondicionador de voltaje) es un equipo eléctrico que acepta una tensión eléctrica de voltaje variable a la entrada, dentro de un parámetro predeterminado y mantiene a la salida una tensión constante (regulada). 2.-Tipos
Son diversos tipos de reguladores de voltaje, los más comunes son de dos tipos: para uso doméstico o industrial. Los primeros son utilizados en su mayoría para proteger equipo de cómputo, video, o electrodomésticos. Los segundos protegen instalaciones eléctricas completas, aparatos o equipo eléctrico sofisticado, fabricas, entre otros. El costo de un regulador de voltaje estará determinado en la mayoría de los casos por su calidad y vida útil en funcionamiento continuo. 3.-Usos
Los reguladores de voltaje son usados para mantener una salida de voltaje predeterminada, a pesar de las variaciones en la entrada de la fuente (voltaje AC) y a pesar también de las variaciones que se puedan dar en la carga. El regulador de voltaje se inserta entre la carga y la salida de la fuente sin regular: Un regulador nos permite tener un funcionamiento permanente y seguro de todos sus equipos, las variaciones de voltaje de la red eléctrica no afectarán el funcionamiento, la calidad de sus procesos y tiempo de fabricación. Permiten eliminar los recursos económicos gastados innecesariamente, aprovechando todo el potencial instalado: recursos técnicos, humanos, materiales, y de tiempo. Incremento en la productividad y eficiencia del sistema protegido así como aumento de la vida útil de sus equipos.
4.-Reguladores 4.-Reguladores en circuitos integrados
Los reguladores de voltaje en circuitos integrados, simplifican considerablemente el diseño de fuentes de poder, pues reemplazan a componentes tales como transistores y tubos al vacío. Además, éstos poseen la ventaja de tener bajo precio, alto desempeño, tamaño pequeño y fácil manejo. Los circuitos integrados (reguladores de voltaje) tienen la ventaja de que proporcionan una salida bastante estable, además limitan la corriente y tienen protección térmica. Estos tipos de reguladores integrados ofrecen una amplia gama de variaciones y distintas clasificaciones para el tipo de fuente que se desee implementar. Regulador de voltaje en serie El regulador en serie detecta un cambio en la salida de voltaje de la carga por medio de un circuito de muestreo que suministra un voltaje de realimentación para ser comparado con una referencia, así sí: 1. El voltaje de salida aumenta, el comparador hace que el elemento de control baje el voltaje de salida. 2. Si el voltaje de salida disminuye el comparador indica al elemento de control que suba el voltaje de salida. En Ingeniería automática, un regulador es un dispositivo que tiene la función de mantener constante una característica determinada del sistema. Tiene la capacidad de mantener entre un rango determinado una variable de salida independientemente de las condiciones de entrada. Algunos ejemplos de reguladores automáticos son un u n regulador de tensión ten sión (el cual puede mantener constante la tensión de salida en un circuito independientemente de las fluctuaciones que se produzcan en la entrada, siempre y cuando estén dentro de un rango determinado), un regulador de gas, una llave de paso de cualquier fluido (donde se regula el flujo del fluido que sale por ella) y un regulador de fuel (el cual controla el suministro de fuel al motor). Los reguladores pueden ser diseñados para el control desde gases o fluidos hasta luz o electricidad. El control puede realizarse de forma electrónica, mecánica o electromecánica. El 7805 es el regulador de voltaje más común, y muy usado en diseño empotrados. El 7805 es un regulador lineal hecho por varios fabricantes. Puede venir en varios tipos de encapsulados.
