Dispositivo (TBP) Transistor Bipolar de Potencia

Funcionamiento

La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y
con J2 (B-C) inversamente polarizada.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial
positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los
portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición
de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic
por la ganancia de corriente del dispositivo.

En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es

diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con

baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del

componente.

La figura 2.17 muestra una estructura típica de un transistor bipolar de potencia. Los

bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo

eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y

emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de

impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).

La preferencia en utilizar TBP tipo NPN se debe a las menores pérdidas con relación a

los PNP, lo cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros,

reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente.

Caracteristicas Estaticas:

Los transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el

circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja

caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i

grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.

Dispositivos de Electrónica de Potencia

El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien

diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:

- Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un

interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por

tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no

es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.

- Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada

tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base,

con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente

representada por las siglas F β o F h . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un

amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el

voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE

directa.

- Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que

el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus

terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están

polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.

de saturación, dado que en la zona activa se disipa mucha potencia y en consecuencia el

rendimiento del sistema puede llegar a ser muy pequeño. Además téngase en cuenta que dado

que en Electrónica de Potencia se trabaja con tensiones y corrientes elevadas, esa disipación

de potencia debe evacuarse de algún modo, o de lo contrario podemos llegar a destruir el

semiconductor por una excesiva temperatura en su interior.

Las diferencias básicas entre los transistores bipolares de señal y los de potencia son

bastante significativas. En primer lugar, la tensión colector-emisor en saturación suele estar

entre 1 y 2 Volts, a diferencia de los 0,2-0,3 Volts de caída en un transistor de señal.

Conexión darlington:

Otra diferencia importante es que la ganancia de un transistor de potencia elevada

suele ser bastante pequeña. Ello conlleva que debido a las grandes corrientes de colector que

se deben manejar, la corriente por la base debe ser también elevada, complicando el circuito

de control de base del transistor. Para transistores de señal se suelen obtener valores de

ganancia entorno a 200, mientras que para transistores de potencia es difícil llegar a obtener

valores de ganancia de 50. Si por ejemplo un TBP con β = 20 va a conducir una corriente de

colector de 60 A, la corriente de base tendría que ser mayor que 3 A para saturar el transistor.

El circuito de excitación (“driver”) que proporciona esta alta corriente de base es un circuito

de potencia importante por sí mismo.

Para evitar esta problemática se suelen utilizar transistores de potencia en

configuraciones tipo Darlington, donde se conectan varios transistores de una forma

estratégica para aumentar la ganancia total del transistor. Ésta configuración se muestra en la

figura 2.20.

Las principales características de esta configuración son:

• Ganancia de corriente β = β1 .(β2+1) + β2

• T2 no satura, pues su unión B-C está siempre inversamente polarizada

• Tanto el disparo como el bloqueo son secuenciales. En el disparo, T1 entra en

conducción primero, dándole a T2 una corriente de base. En el bloqueo (apagado), T1

debe conmutar antes, interrumpiendo la corriente de base de T2.

Debido a que la ganancia de corriente efectiva de la combinación o conexión es,

aproximadamente, igual al producto de las ganancias individuales (β = β1 .(β2+1) + β2), se

puede, por tanto, reducir la corriente extraída del circuito de excitación (driver). La

configuración Darlington puede construirse a partir de dos transistores discretos o puede

obtenerse como un solo dispositivo integrado.

En general los transistores bipolares se utilizan para potencias medias, y frecuencias

de trabajo medias (hasta unos 40 kHz). La ventaja de este tipo de interruptores es que su caída

de tensión en conducción es bastante constante, si bien el precio que se paga es la

complejidad del circuito de control, ya que es un semiconductor controlado por corriente. Este

tipo de transistores, a diferencia de los que se verán en los siguientes apartados, suelen ser

bastante económicos.

Dispositivo (MOSFET) Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Funcionamiento:


Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:

1. Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
2. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.

Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate).

El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:

Estado de corte

Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.

Conducción lineal

Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.

Saturacion:

Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

             Transistor MOSFET de empobrecimiento canal N.                         Transistor MOSFET de empobrecimiento canal P.

                   Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de acumulación canal n.

                                     Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de deplexión canal n.

Aplicaciones:

La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Véase Tecnología CMOS

Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:

1. Resistencia controlada por tensión.
2. Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
3. Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

Ventajas:

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:

1. Consumo en modo estático muy bajo.
2. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
3. Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
4. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedencia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
5. Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
6. La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
7. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

Principio de Operacion

Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos. El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta. Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. Aplicaciones: El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos ventajas sobre los MESFET’s y los JFET’s y ellas son: En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal. El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET’s de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg). Capacitancia en el MOSFET Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación. Encendido En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido. Apagado Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo. Área segura de operación El área segura de operación de el MOSFET está limitada por tres variables que forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son: 1. Corriente máxima pulsante de drenaje 2. Voltaje máximo drenaje-fuente 3. Temperatura máxima de unión. Pérdidas del MOSFET Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante.

Dispositivo (IGBT) transistor bipolar de puerta aislada

IGBT:

es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso:automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

Caracteristicas:

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta

Funcionamiento

Si Aplicamos Una tensión positiva entre colector y emisor no existe corriente dado que existe una unión pn polarizada en inversa. pero que que si aplicamos la tensión puerta emisor positiva se forma un canal que permite la circulación de electrones. esta corriente de electrones ocasiona una inyección de huecos desde la capa p+ hacia la capa p estableciendoce una corriente en el dispositivo, la diferencia con el MOSFET es que la corriente del IGBT esta compuesta por los dos tipos de portadores de carga: huecos y electrones 

Dispositivo (GTO) Gate Turn-Off Thyristor

Principio de funcionamiento:


El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los
tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a
través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.

El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente
polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo.
Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven
hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el
potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por
encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para
mantenerse en conducción.

La figura 2.13 muestra una representación simplificada de los procesos de entrada y
salida de conducción del GTO.

La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la
abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del
dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la
barrera de potencial en la unión J2.

Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad,
Dispositivos de Electrónica de Potencia
las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como
GTO depende, por ejemplo, de factores como:

• Facilidad de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.

• Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo
tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.

• Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor
dopado en la región del cátodo.

• Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo
con gran área de contacto.

Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones
inversas.

La figura siguiente (Fig. 2.14) muestra las características estáticas (corriente – tensión) del

GTO.

Si la corriente por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al

estado “ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el semiconductor

dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”.

Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento.

Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero

no en sentido contrario. Evidentemente, este dispositivo es más caro que un SCR y además el

rango de tensiones y corrientes es más pequeño que en el caso de los SCRs. En general se

suelen llegar a potencias entorno a los 500kW como máximo. La tensión ánodo-cátodo en

conducción directa también es más elevada que para los tiristores convencionales.

Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los

tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso

de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un

interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores

diferentes a los SCRs o TRIACs.

Dispositivos de Electrónica de Potencia

El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar

las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el

GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos

dimensiones.

AComo se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los

tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso

de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un

interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores

diferentes a los SCRs o TRIACs.

El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar

las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el

GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos

dimensiones.

Dispositivo (DIAC) Diodo para Corriente Alterna

Diac:

Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado sutensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón.

Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

Estructura:

Caracteristicas generales y aplicacion:

  Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

           La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

            

              Figura 3: Disparo de TRIAC mediante un DIAC.

 Curva Caracteristica del diac

dispositivo El Transistor de potencia

El transistor de potencia:
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.
Existen tres tipos de transistores de potencia:

• bipolar.
• unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
• IGBT.

Parámetros	MOS	Bipolar
Impedancia de entrada	Alta (1010 ohmios)	Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente	Alta (107)	Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)	Media / alta	Baja
Resistencia OFF (corte)	Alta	Alta
Voltaje aplicable	Alto (1000 V)	Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación	Alta (200ºC)	Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo	Alta (100-500 Khz)	Baja (10-80 Khz)
Coste	Alto	Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:

• Trabaja con tensión.
• Tiempos de conmutación bajos.
• Disipación mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:

• Pequeñas fugas.
• Alta potencia.
• Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento.
• Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
• Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
• Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

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 (ton , toff). 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.

Principios Basicos De Funcionamiento
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 puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:

• En un transistor bipolar I_B controla la magnitud de I_C.
• En un FET, la tensión V_GS controla la corriente I_D.
• En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.

Tiempos de conmutación
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, ya que en esos instantes el producto I_C x V_CE va a tener un valor apreciable, 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.Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.
Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.
Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :


Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton).Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:

Modos de trabajo:

Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :

• Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación.
• Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente.
• Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0).
• Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).

Avalancha Segundaría:

Si se sobrepasa la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (V_CBO), o la tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (V_CEO), la unión colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha primaria.Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización de la intensidad de base), que se produce cuando tenemos polarizada la unión base - emisor en directo. En efecto, con dicha polarización se crea un campo magnético transversal en la zona de base que reduce el paso de portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de colector y a la V_CE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno degenerativo con el consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. A este fenómeno, con efectos catastróficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o también segunda ruptura).
El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos codos bruscos que desvían la curva de la situación prevista (ver gráfica anterior).
El transistor puede funcionar por encima de la zona límite de la avalancha secundaria durante cortos intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas límites en la zona activa con los tiempos límites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.


Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarización inversa de la unión base - emisor se produce la focalización de la corriente en el centro de la pastilla de Si, en un área más pequeña que en polarización directa, por lo que la avalancha puede producirse con niveles más bajos de energía. Los límites de I_C y V_CE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.

Dispositivo (triac) Triodo para Corriente Alterna

Definición:
Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los transistores. 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 de conmutar la corriente alterna.
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.

Aplicaciones:

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.

Caracteristicas dinamicas del TRIAC

Control De Fase Potencial:

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)