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(' A P ) T II

r.

O

.

pnpn y otros dispositivos

--~Jo------------21.1

INTRODUCCION

En este capítulo se presentan varios dispositivos importantes que no se han analizado con detalle en los primeros capítulos. El diodo semiconductor de dos capas ha dado lugar a dispositivos de tres, cuatro e incluso cinco capas. Se considerará primero una familia de dispositivos pnpn de cuatro capas: el SCR (rectificador controlado de silicio: silicon controlled rectifier), el SCS (interruptor controlado de silicio: silicon controlled switch), el GTO (interruptor controlado por compuerta: gate tumoff switch), el LASCR (SCR activado por luz; ligth activated SCR), seguidos por un dispositivo cada vez más importante: el UJT (transistor monounión; unijunction transistor). Estos dispositivos de cuatro capas con un mecanismo de control se llaman comúnmente tiristores, aunque el término se aplica con mayor frecuencia al SCR (rectificador controlado de silicio). El capítulo termina con una presentación del fototransistor, los optoaisladores y el PUT (transistor monounión programable: prograrnmable unijunction transistor).

DISPOSITIVOS pnpn 21.2 RECTIFICADOR

CONTROLADO DE SILICIO

Dentro de la fami,lia de los dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR) es incuestionablemente el de mayor interés hoy en día. Se introdujo por primera vez en 1956 en los BeIl Telephone Laboratories. Unas cuantas de las áreas más comunes de aplicación para los SCR incluyen los controles de relevadores, los circuitos de retraso de tiempo, las fuentes de alimentación reguladas, los interruptores estáticos, los controles de motores, muestreadores (choppers), inversores, cicloconvertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase. En los últimos años, los SCR se han diseñado para controlar potencias tan altas como 10 MW con valores nominales individuales tan elevados como 2000 A a 1800 V. Su intervalo de frecuencia de aplicación se ha extendido también a cerca de 50 kHz, permitiendo algunas aplicaciones de alta frecuencia, tales como calentamiento por inducción y limpieza ultrasónica.

21.3

OPERACION BASICA DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO

Como la terminología indica, el SCR es un rectificador construido de material de silicio con una tercera terminal para propósitos de control. Se eligió el silicio debido a su elevada capacidad de temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor fundamental de dos capas donde una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de corto circuito. No es suficiente con polarizar directamente la región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la resistencia dinámica del SCR es por lo general de 0.01 a 0.1 Q. La resistencia inversa es típicamente de 100 kQ o más.

830

El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 21.1 con las conexiones correspondientes a la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la figura 21.1a, si se va a establecer la conducción directa, el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo. Sin embargo, este no es un criterio suficiente para activar el dispositivo. También debe aplicarse en la compuerta un pulso de magnitud suficiente para establecer una corriente de disparo, representada simbólicamente por IGT'

IGT ~

Anodo

Compuerta

Cátodo

+ (a)

(b)

Figura 21.1 (al Símbolo del SCR; (b) construcción básica.

Una examen más detallado de la operación básica de un SCR se logra dividiendo la estructura pnpn de cuatro capas de la figura 21.1 b en dos estructuras de transistor de tres capas, como se indica en la figura 21.2a y considerando después el circuito resultante de la figura 21.2b.

Anodo

+

1

Anodo

pnp

GT ---..

Compuerta Compuerta

Cátodo

(a)

Cátodo

Figura 21.2 Circuito equivalente de SCR con dos transistores.

(b)

Nótese que uno de los transistores de la figura 21.2 es un dispositivo npn, en tanto que el otro es un transistor pnp. Para el análisis, la señal que se muestra en la figura 21.3a se aplicará en la compuerta del circuito de la figura 21.2b. Durante el intervalo O-H¡; Vcompuerta = O V, el circuito de la figura 21.2b aparecerá como se muestra en la figura 21.3b (V compuerta = O V es equivalente a la terminal de la compuerta conectada a tierra como se muestra en la figura). Para VBE2 = V compuerta = O V, la corriente de base IB2 = O e 'e2 será aproximadamente leo. La corriente de base de Q], le¡ = le2 = leo, es demasiado pequeña para hacer conducir a Q\. Por lo tanto, ambos transistores se encuentran en el estado "de corte", lo que produce una impedancia elevada entre el colector y el emisor de cada uno de los transistores y la representación en un circuito abierto para el rectificador controlado de silicio, según se muestra en la figura 21.3c. 21.3 Operación básica del rectificador

controlado de silicio

831

Alta impedancia (aproximación de circuito abierto)

-

Voompucna

= ov

(e)

(b)

(a)

Figura 21.3 Estado "de corte" del SCR.

En 1= t1 un pulso de VG volts aparecerá en la compuerta del SCR. Las condiciones de circuito que se establecen con esta entrada se muestran en la figura 21.4a. El potencial Ve se eligió lo bastante grande como para poner en conducción a Q2 (VBE2 = V G)' La corriente de colector de Q2 aumentará entonces a un valor suficientemente grande para poner en conducción QI(lBI = [e2)' Cuando QI en conducción, [el aumentará, produciendo un incremento correspondiente en [B2' El aumento en la corriente de base para Q2 dará por resultado un incremento adicional en [e2' El resultado neto es un incremento regenerativo en la corriente de colector de cada transistor. La resistencia resultante ánodo a cátodo [RSCR = V/(lA - grande)] es entonces muy pequeña, lo que origina la representación en corto circuito para el SCR, como se indica en la figura 21.4b. La acción regenerativa que acaba de describirse produce SCR que tiene tiempos de disparo típicos de 0.1 a 1 JlS. Sin embargo, los dispositivos de alta potencia en el intervalo de 100 a 400 A pueden tener tiempos de disparo de 10 a 25 us.

v El

fA

V [A~

El

--.. [BI

QI

Baja impedancia (aproximación de corto circuito)

+

Q2

VG

-¡

l~ ':'

(a)

Figura 21.4 Estado "de conducción" del SCR.

(b)

Además del disparo de la compuerta, los SCR también pueden activarse mediante un aumento significativo de la temperatura del dispositivo o incrementando el voltaje ánodo a cátodo hasta el valor de ruptura que se muestra en la característica de la figura 21.7. La siguiente pregunta de interés es: ¿qué tan largo es el tiempo de disparo y cómo se lleva a cabo el apagado? Un SCR no puede apagarse con sólo suprimir la señal de la compuerta, y s610 algunos pueden desactivarse aplicando un pulso negativo en la terminal de la compuerta como se muestra en la figura 21.3a a t = t3. 832

Capítulo 21 pnpn y otros dispositivos

Los dos métodos generales para desactivar un SeR se clasifican como la interrupción de corriente de ánodo y la técnica de conmutación forzada. Las dos posibilidades

para la interrupción de corriente se ilustran en la figura 21.5.

Figura 21.5 Interrupción de la corriente de ánodo.

En la figura 21.5a, lA es cero cuando el interruptor está abierto (interrupción en serie) en tanto que en la figura 21.~b se establece la misma condición cuando el interruptor está cerrado (interrupción en derivación). La conmutación forzada corresponde a "forzar" la corriente a través del SCR en la dirección opuesta a la conducción directa. Hay una amplia variedad de circuitos para efectuar esta función, varios de los cuales pueden encontrarse en los manuales de los principales fabricantes en esta área. Uno de los tipos más básicos se presenta en la figura 21.6. Como se indica en la figura, el circuito de apagado consiste en un transistor npn, una batería cd, VB y un generador de pulsos. Durante la conducción del SCR el transistor se encuentra en el estado "de corte"; esto es, lB = O Y la impedancia de colector a emisor es sumamente alta (para todos los propósitos prácticos, un circuito abierto). Esta alta impedancia evitará que el circuito de apagado afecte la operación del SCR. Para las condiciones de apagado, se aplica un pulso positivo en la base del transistor, poniéndolo en conducción, con 10 que se produce una muy baja impedancia del colector al emisor (representación en corto circuito). El potencial de la batería aparecerá entonces directamente en el SCR como se muestra en la figura 21.6b, forzando la corriente a través de él en la dirección inversa para el apagado. Los tiempos de apagado de los SCR son por lo general de 5 a 30 us.

v Apagado

SL

Q lconducción

Q¡! Q¡! Q¡

Encendido

I

I

Corte: : Corte Conducción

(a)

(b)

Figura 21.6 Técnica de conmutación

forzada.

21.4 CARACTERISTICAS y VALORES NOMINALES DELSCR Las características de un SCR se proporcionan en la figura 21.7 para diversos valores de la corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes de interés usual se indican sobre la característica. A continuación se presenta una breve descripción de cada una de ellas. 21.4

Características

y valores nominales del SCR

833

+

Voltaje de ruptUra

Corriente de I H

mverso

soctenlmiento

\

I

/

V

F3

Región de bloqueo inverso

Plpn

VF2

V(BI/.lF"

VF

Vo1llje RegiÓDde bIoq_ directo

de~

~

21.7 Características del SeR

1. Voltaje de ruptura directo V(BR)F*es el voltaje arriba del cual el SCR entra en la región de conducción. El asterisco (*) corresponde a una letra que se añadirá y que depende de la condición de la terminal de la compuerta del modo siguiente: O = circuito abierto de G a K S = corto circuito de G a K

R = resistor de G a K V = ~olarización (voltaje) fija de G a K 2. Corriente de sostenimiento (lH) es el valor de la corriente por debajo del cual el SCR conmuta del estado de conducción al de la región de bloqueo directa, en condiciones establecidas. 3. Regiones de bloqueo directa e inversa son aquellas que corresponden a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquea el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo. 4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente a la región Zener o de avalancha del diodo semiconductor fundamental de dos capas. Debe ser evidente de inmediato que las características del SeR de la figura 21.7 son muy similares a aquéllas del diodo semiconductor básico de dos capas, excepto por el codo horizontal antes de entrar en la región de conducción. En esta región de proyección horizontal la que da el control de la compuerta sobre la respuesta del SCR. Para la característica que tiene la línea sólida en la figura 21.7 (lG = O), VF debe alcanzar el más alto valor del voltaje de ruptura requerido (V(BR)P) antes de que ocurra el efecto de "colapso" y el SCR pueda entrar en la región de conducción correspondiente al estado de conducción. Si la corriente de compuerta se incrementa a lGI' como se muestra en la misma figura, aplicando un voltaje de polarización en la terminal de la compuerta, el valor de VF que se requiere para la conducción (V FI) es considerablemente menor. Nótese también que lH desciende con el aumento en lG si se incrementa a lG2 se disparará a valores muy bajos de voltaje (VF) y las características empiezan a aproximarse a la del 3 diodo básico de unión p-n, Considerando las características de una manera completamente diferente, para un voltaje particular VF, digamos VF2 (figura 21.7), si la corriente de compuerta se incrementa a lG = O a lGI o más, el SCR se disparará.

834

Capítulo 21 pnpn y otros dispositivos

Las características de la compuerta se presentan en la figura 21.8. Las características de la figura 21.8b son una versión extendida de la región sombreada de la figura 21.8a. En la figura 21.8a se indican los tres valores nominales de compuerta de mayor interés p GFM, 1GFM Y VGFM' Cada uno se incluye sobre las características del mismo modo que se emplean para el transistor. Excepto para partes de la región sombreada, cualquier combinación de corriente y voltaje de compuerta que cae dentro de esta región disparará cualquier SCR en las series de componentes para las que se proporcionan estas características. La temperatura determinará qué secciones de la región sombreada deben evitarse. A -65°C, la corriente mínima que disparará la serie de las SCR es de 80 mA, en tanto que a + 150°C sólo se requieren 20 mA. El efecto de la temperatura sobre el voltaje de compuerta mínimo suele no indicarse sobre las curvas de este tipo, puesto que los potenciales de compuerta de 3 V o más, con frecuencia se obtienen fácilmente. Como se ilustra en la figura 21.8b, se indica un mínimo de 3 V para todas las unidades en el intervalo de temperatura de interés. Otros parámetros que suelen incluirse en la hoja de especificaciones de un SCR son el tiempo de disparo (tencendido) (tdisparo), el tiempo de apagado (tapagado), la temperatura de la unión (T) y la temperatura de encapsulado (Te)' cada uno de los cuaJes deben hasta este momento. haber sido explicados, por sí solos. Corriente mín, de compuerta requerida para disparar todas las unidades a +ISOOC + 15·C

10rl-------*----------~

VoJt.,je mín. de COI!IpIrfUI requerido pIR ditpInr •••• 1MlIIIia.des

3 PoIencia máx. instantánea de compuerta permisible -12.0W

8

--

-------

Notas (1) Temperatura de unión - 6S·C a + ISO·C (2) Las áreas sombreadas representan el lugar geométrico de los puntos posibles de disparo desde - 6S·C a + lSO·C PGFM = 12 W,IGEM

= 2ú A, VGFM = 10 V

O·~l~--~I------~I------~I------~I------~I-__

o.i

0.4

0.8

1.2

Voltaje máx. de ~qaeDO dilparu6 DiIlJUD&unidad a 150·C = O.lSV

1.6

2.0

Io (A)

OL---------~----------~-50 100 lG(mA) Corriente de compl1~

(O.lA)

(b)

(a)

".....11.1 Características

iostántanea

de compuerta del SCR (serie C38 de GE).

21.5 CONSTRUCCION DEL SCR E IDENTIFICACION DE TERMINALES La construcción básica de una configuración de cuatro capas de un SCR se muestra en la figura 21.9a. La construcción completa de un SCR de alta corriente libre de fatiga térmica se muestra en la figura 21.9b. Obsérvese la posición de las terminales de la compuerta, el cátodo y el ánodo. El pedestal actúa como disipador de calor, transfiriendo el calor que se genera al chasis sobre el cual está montado el SCR. La construcción del encapsulado y la identificación de las terminales de los SCR variarán con la aplicación. Otras técnicas de constnícción del encapsulado y la identificación de terminales de cada uno se indican en la figura 21.10. . 21.5 Construcción

del SCR e identificación de terminales

835

.} .¡

RECTIHCADOR CONTROLADO DI. SILICIO DE AL"! ¡\ CORRIENl L SUIlLNSAMBLE DI. LA PERLA DII-UNDIDA •

RECIIHCADOR CONTROLADOR Dl: SILICIO DE AL rA CORRIENTE

Figura 21.9 (a) Perla de SCR por difusión y aleación; (b) construcción de General Electric Company.)

de SCR libre de fatiga térmica. (Cortesía

(

O--

Cátodo

Compuerta

I Cátodo Anodo Compuerta

Cátodo

Compuerta

r'

Cátodo Anodo Compuerta

Figura 21.10 Construcción del encapsulado del SCR e identificación de terminales. Electric Company; (b) y (e) cortesía de International Rectifier Corporation].

Anodo

[(a) Cortesía de General

21.6 APLICACIONES DEL SCR Unas cuantas de las posibles aplicaciones para el SCR se mencionan en la introducción del SCR en la sección 21.2. En esta sección consideramos cinco: un interruptor estático, un sistema de control de fase, un cargador de baterías, un controlador de temperatura y un sistema de luces de emergencia. Un interruptor estático serie de media onda se muestra en la figura 21. J la. Si el interruptor se cierra como se muestra en la figura 21.11 b, circulará una corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada, disparando al SCR. El resistor R I limita la magnitud de la corriente de compuerta. Cuando el SCR se dispare, el voltaje ánodo a cátodo (VF) disminuirá el valor de conducción, produciendoce una corriente de

836

Capítulo 21 pnpn y otros dispositivos

DI Interruptor mecánico eléctrico o electromecánico G 1 compuerta

(b)

(a) Figura 21.11 Interruptor estático serie de media onda.

de compuerta bastante reducida y pérdidas sumamente bajas en el circuito de compuerta. En la región negativa de la señal de entrada, el SCR se apagará, ya que el ánodo es negativo con respecto al cátodo. El diodo DI se incluye para evitar una inversión en la corriente de compuerta. Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se presentan en la figura 21.11 b. El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la carga. Si se desea una conducción con una duración menor que 180°, el interruptor puede cerrarse a cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético o mecánico, dependiendo de la aplicación. Un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción entre 90 y 180° se muestra en la figura 21.l2a. El circuito es similar al de la figura-Zl, l1a, excepto por la adición de un resistor variable y la eliminación del interruptor. La combinación de los resistores R y R¡ limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R¡ se fija para su valor máximo, puede ocurrir que la corriente de compuerta nunca alcance la magnitud del disparo. Conforme R I disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta aumentará con el mismo voltaje de entrada. En esta forma, la corriente de disparo de compuerta requerida puede establecerse en cualquier punto entre O y 90°, como se muestra en la figura 21.l2b. Si R I es baj a, el SCR se disparará casi de inmediato, resultando la misma acción que la que se obtuvo del circuito de la figura 21.11 a (conducción durante 180°). No obstante, como se indicó con anterioridad, si se incrementa RI se requerirá un voltaje de entrada más alto (positivo) para activar el SCR. Como se indica en la figura 21.12b, el control no puede extenderse más allá de un desplazamiento de fase de 90° porque la entrada es máxima en este punto. Si falla para disparar a éste y a valores menores del voltaje de entrada sobre la pendiente positiva de la entrada, debe esperarse la misma respuesta de la parte con pendiente negativa de la forma de onda de la señal. La operación en este caso suele denominarse en términos técnicos como valores control de fase de resistencia variable de media onda.

-Av

R

R

A '

R¡

AA 0° 90°

~

90° Conducción

K

G

~ la

(a)

(b)

Figura 21.12 Control de fase de resistencia variable de media onda.

21.6 Aplicaciones del SeR

837

Es un método efectivo para controlar la corriente rms y, en consecuencia, la potencia hacia la carga. Una tercera aplicación común .del SCR es en un regulador cargador de batería. Los componentes fundamentales del circuito se muestran en la figura 21.13. El lector notará que el circuito de control se ha bloqueado para propósitos de análisis. Como se indica en la figura D¡ y D2 establecen una señal rectificada de onda completa a través de SCR¡ y la batería de 12 V que se va a cargar. A bajos voltajes de la batería, SCR2 está en el estado de corte por razones que Se explicarán más adelante. Con SCR2 abierto, el circuito de control SCR¡ es exactamente el mismo que el control del interruptor estático que se analizó antes en esta sección. Cuando la entrada rectificada de onda completa es 10 bastante grande para producir la corriente de disparo de compuerta requerida (controlada por R¡), SCR~ se disparará y dará comienzo la carga de la batería. Al inicio de la carga, el bajo voltaje de la batería producirá un bajo voltaje VR determinado por el circuito divisor de voltaje sencillo. El voltaje VR es, a su vez, demasiado pequeño para provocar la conducción del Zener de 11.0 V. En el estado de corte, el Zener es efectivamente un circuito abierto que mantiene a SCR2 en el estado "de corte" porque la corriente de compuerta es cero. El capacitor C¡ se incluye para evitar los transitorios de voltaje en el circuito y que ellos accidentalmente disparen al SCR2. Recuérdese de sus estudios fundamentales de análisis de circuitos que el voltaje no puede cambiar en forma instantánea a través de un capacitor. De este modo, C¡ evita que los efectos transitorios afecten al SCR. .

Mecanismo

11~

:J

47 O (2 W)

SCR!

GE '---+-_N--'

C20F

de control

~-------------M__----------~--oV2 470(2

W)

470 (2 W) SCR2

GE 12-V Batería

Rs 7500

C5U

(1 W)

Figura 21.13 Regulador del cargador de batería.

A medida que la carga continúa, el voltaje de la batería aumenta hasta un punto donde VR es lo suficientemente alto como para hacer conducir al Zener de 1].0 V Y disparar el SCR2. Una vez que SCR2 se ha disparado, la representación en corto circuito para SCR2 producirá un circuito divisor de voltaje determinado por R, Y R2, que mantendrá a V2 en un nivel demasiado pequeño para disparar el SCR,. Cuando esto ocurre, la batería está completamente cargada y el estado en circuito abierto de SCR, cortará la corriente de carga. De este modo, el regulador recarga la batería si el voltaje disminuye y evita la sobrecarga cuando se ha cargado al máximo. En la figura 21.14 aparece el diagrama esquemático de un control de calefacción de 100 W que utiliza un SCR. Se ha diseñado de manera tal queel calefactor de 100 W se encenderá y apagará de acuerdo a como lo determine el termostato. Los termostatos de mercurio en vidrio son muy sensibles al cambio de temperatura. En realidad, ellos pueden registrar cambios tan pequeños como 0.1°C. Sin embargo, su aplicación es limitada porque sólo pueden manejar niveles sumamente bajos de corriente (menores que 1 mA). En esta aplicación, el SCR sirve como un amplificador de corriente en un elemento de

838

Capítulo 21 pnpn y otros dispositivos

Carga de calentador de 100 W

CRl

o

120 V ac

CI06B

60Hz GEA14B

CRI-CR4 RI

0.1 IlrF---L_~51,,0'\jill~----, ~

Terminales enrolladas para minimizar la inducción Figura 21.14 Controlador de temperatura. (Cortesía de General Electric Semiconductor Products Division.)

Termostato de HG en vidrio (tal como la serie vap, air div. 206-44; princo # T141 o equivalente)

conmutación de carga. No es un amplificador en el sentido de que incremente el nivel de corriente del termostato. Más bien es un dispositivo cuyo alto nivel de corriente se controla mediante el comportamiento del termostato. Debe ser claro que la red puente está conectada a la alimentación de ea a través del calefactor de 1()() W. Esto producirá un voltaje rectificado de onda completa a través del SCR. Cuando el termostato esté abierto, el voltaje en el capacitor se cargará hasta un potencial de disparo de compuerta a través de cada pulso de la señal rectificada. La constante de tiempo de carga se determina por el producto Re. Esto disparará al SCR durante cada medio ciclo de la señal de entrada, permitiendo un flujo de carga (corriente) hacia el calefactor. Conforme aumente la temperatura, el termostato conductivo pondrá en corto circuito al capacitor, eliminando la posibilidad de que este último se cargue hasta el potencial de disparo y dispare el SCR. El resistor de 510 kQ contribuirá entonces a mantener una corriente sumamente baja (menor que 250 J..I.A)a través del termostato. La última aplicación del SCR que se describirá se muestra en la figura 21.15. Es un sistema de iluminación de emergencia de una sola fuente que mantendrá la carga en una batería de 6 V para asegurar su disponibilidad y brindar también energía cd a una lámpara eléctrica si hay una interrupción eléctrica. Una señal rectificada de onda completa aparecerá a través de la lámpara de 6 V debido a los diodos D2 y DI' El capacitor el se cargará hasta un voltaje ligeramente menor que la diferencia entre el valor pico de la señal rectificada de onda completa y el voltaje cd en R2 establecido por la batería de 6 V. En todo caso, el cátodo de SCR, es mayor que el ánodo y el voltaje de la compuerta al cátodo es negativo, asegurando que el SCR no conduzca. La batería se está cargando a través de R,

DI

RI/'

Seleccionada para obtener la relación de carga deseada (valor y wattaje) SCRI

CI06Yl

6.3 V

Entrada ea a 50-60 Hz

100 IlF lOV

lill

+

6.3 V TI

6-V Lámpara

Batería 6 volts

Figura 21.15 Sistema de luces de emergencia de una sola fuente. (Cortesía de General Electric Semiconductor Products Division.) 21.6 Aplicaciones del SeR

839

y DI a una razón determinada por R l. La carga de la batería sólo ocurre cuando el ánodo de DI es más positivo que su cátodo. El nivel cd de la señal rectificada de onda completa asegurará que la lámpara esté encendida cuando haya potencia. Si la alimentación eléctrica falla, el capacitor CI se descargará a través de DI' RI Y R3 hasta que el cátodo de SCRI sea menos positivo que el ánodo. Al mismo tiempo, la unión de R2 y R3 se volverá positiva y establecerá suficiente voltaje de compuerta a cátodo para disparar el SCR. Una vez disparado, la batería de 6 V se descargaría a través del SCRI y energizaría la lámpara y mantendría su iluminación. Después de que se restablece la energía, el capacitor C¡ se recargará y restablecerá el estado 90 conductor de SCRI, como se describió antes.

21.7 INTERRUPTOR CONTROLADO PE SILICIO El interruptor controlado de silicio (SCS), al igual que el rectificador controlado de silicio, es un dispositivo pnpn de cuatro capas. Las cuatro capas semiconductoras del SCS están disponibles debido a la adición de una compuerta de ánodo, como se muestra en la figura 21.16a. El símbolo gráfico y el circuito equivalente del transistor se muestran en la misma figura. Las características del dispositivo son esencialmente las mismas que aquellas del SCR. El efecto de una corriente de compuerta de ánodo es muy similar al que se muestra para la corriente de compuerta en la figura 21.7. Cuanto mayor sea la corriente de compuerta del ánodo, tanto menor será el voltaje ánodo a cátodo requerido para disparar el dispositivo. La conexión ánodo compuerta puede utilizarse para colocar al dispositivo con conducción o cortarlo. Para colocar el dispositivo en conducción, debe aplicarse un pulso negativo en la terminal ánodo compuerta, en tanto que es necesario un pulso positivo para cortar el dispositivo. La necesidad del tipo de pulso que acaba de indicarse puede demostrarse empleando el circuito de la figura 21.16c. Un pulso negativo en la terminal ánodo compuerta polarizará directamente la unión base a emisor de Q¡, poniéndolo en conducción."La corriente de colector resultante lel pondrá en conducción a Q2, produciendo un efecto regenerativo y el estado de conducción en el dispositivo SCS. Un pulso positivo en el ánodo compuerta polarizará inversamente la unión de la base a emisor de Q¡, cortándolo y obteniéndose el estado de circuito abierto del dispositivo. En general, la corriente de disparo ánodo compuerta es mayor en magnitud que la corriente cátodo compuerta requerida. En un dispositivo SCS representativo, la corriente ánodo compuerta de disparo es de 1.5 mA, en tanto que la corriente cátodo compuerta requerida es de 1 ~A. La corriente de conducción de compuerta que se necesita en cualquiera de las dos terminales es afectada por varios factores. Entre ellos se incluye la temperatura de operación, el voltaje de ánodo a cátodo, la colocación de la carga y el tipo de cátodo, la conexión compuerta a cátodo o ánodo compuerta a ánodo (corto circuito, circuito abierto, polarización, carga, etc.). Por lo común se cuenta con tablas, gráficas y curvas para cada dispositivo con objeto de indicar el tipo de información antes indicada .

. Anodo Anodo

Anodo compuerta

..-

Q1

pnp

Anodo

IGA

compuerta

Cátodo

Cátodo

Cátodo

compuerta

Q2

pnp

compuerta~

IGK Cátodo Cátodo

(a)

(b)

(e)

Figura 21.16 Interruptor controlado de silicio (ses): (a) construcción básica; (b) símbolo gráfico; (e) circuito equivalente con transistores.

840

Capítulo 21 pnpn y otros dispositivos

Anodo compuerta

Tres de los tipos más fundamentales de los circuitos de apagado para el SCS se muestran en la figura 21.17. Cuando se aplica un pulso en el circuito de la figura 21.17a, el transistor conduce por completo, lo que produce una característica de baja impedancia ( == corto circuito) entre el colector y el emisor. Esta rama de baja impedancia desvía la corriente del ánodo del SCS, disminuyéndola por debajo del valor de sostenimiento y en consecuencia apagándolo. De manera similar, el pulso positivo en ánodo compuerta de la figura 21.17b cortará el SCS mediante el mecanismo descrito antes en esta sección. El circuito de la figura 21.17 e puede encenderse o apagarse por medio de un pulso de la magnitud adecuada en el cátodo compuerta. La característica de corte es posible sólo si se emplea el valor correcto de RA- Esta controlará la cantidad de retroalimentación regenerativa, cuya magnitud es crítica en este tipo de operación. Nótese la variedad de posiciones en las que puede ubicarse el resistor de carga Rv Hay varias posibilidades más que pueden encontrarse en cualquier libro o manual de semiconductores de amplio contenido.

v

.n

-v (c)

(b)

(a) Figura 21.17 Técnicas de apagado del SCS.

Una ventaja del SCS sobre un SCR correspondiente es el tiempo reducido de apagado, por lo general dentro del intervalo de 1 a 10 J.1S para el SCS y de 5 a 30 J.1S para el SCR. Algunas de las otras ventajas del SCS sobre un SCR incluyen mayor control y sensibilidad de disparo y una situación de encendido más predecible. Sin embargo, en la actualidad el SCS está limitado a valores nominales bajos de potencia, corriente y voltaje. El intervalo típico de corrientes de ánodo máximas es de 100 a 300 mA con valores nominales de disipación (potencia) de 100 a 500 mW. Algunas de las áreas más comunes de aplicación incluyen una amplia variedad de circuitos de computadora (contadores, registros y circuitos temporizadores) generadores de pulso, sensores de voltaje y osciladores. Una aplicación simple de un SCS como dispositivo sensor de voltaje se muestra en la figura 21.18. Este es un sistema de alarma con n entradas a partir de varias estaciones. Cualquier señal de entrada encenderá el SCS particular, obteniéndose una alarma energizada por relevador y luz en el circuito ánodo compuerta para indicar la localización de la entrada (perturbación).

r---~--------------~--------------~--o12V A Vven muchos casos,

T=.t¡ =R¡Cloge--=R¡Cloge

V V- v, 1 V- V¡/V

pero 11= V¡iV si ignoramos los efectos de VD en la ecuación (21.5) y T=.R¡Clog,,--

1 1-11

o

EJEMPLO 21.1

856

¡- R¡C log,

1 [1/(1 -11)]

(21.17)

Dado el oscilador de relajación de la figura 21.46: (a) Determine RB¡ y RB2 a le = O A. (b) Calcule Vp, el voltaje necesario para disparar el UJT. (e) Determine si R¡ está dentro del intervalo permisible de valores de acuerdo con la ecuación (21.8) para asegurar el disparo del UJT. (d) Determine la frecuencia de oscilación si RB¡= 100 n durante la fase de descarga. (e) Dibuje la forma de onda de Ve para un ciclo completo. (f) Dibuje la forma de onda de VR2 para un ciclo completo.

Capitulo 21 pnpn y otros dispositivos

a

V= 12 Y

RBB = 5 til, 1'\ = 0.6 Vv=IY,Iv= lOmA,lp=10~ (RB¡ = 100n durante la tase de descarga

e

+ Figura 21.46 Ejemplo 21.1

Solución: (a)

__ R....!:B:..!...,_ RB, + RB2

7]=-

0.6 = RB, RBB RB , = 0.6RBB = 0.6(5 kfi) = 3 kfi RB = RBB - RB = 5 kfi - 3 kfi = 2 kfi 2

,

(b) En el punto donde ve = Vp' si continuamos

con le =; O A, resultará la red de la figura

21.47, donde

12Y

Vp = 0.7 V

tRB, + R2) 12 V + ....:........:::.!..-_=--RB

le

+ RB + R2

1

2

RBB

=

0.7 V

+

(3 kfi

=OA

;-+-c1

I

v,

+ 0.1 kfi) 12 V = 0.7 + 0.1 kfi

V

+ 7.294

0.7

5 til

y

V

5 kfi

=8V (e)

v-

Vv