Componentes con cuatro capas

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Silicon-Controlled Rectifier (SCR)
Un SCR es un dispositivo de silicio con un tercer terminal
utilizado para propósitos de control. Silicio fue
seleccionado por resistir altas potencias y temperaturas.
La siguiente figura muestra el símbolo de circuito para el
SCR y su construcción interna.
El tercer terminal, el gate, determina cuándo es que el
rectificador cambia de su estado en circuito abierto a su
estado en corto circuito.
Para que el SCR conduzca electricidad, el ánodo deberá
estar más positivo que el cátodo, pero dicha condición por
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sí sola no basta para lograr la conducción. Para lograr la
conducción también es necesario que un pulso de suficiente
magnitud esté presente en el gate para así producir una
corriente de disparo IGT.
Para entender el funcionamiento del SCR conviene utilizar
la siguiente figura en donde partimos los 4 layers en dos
estructuras, cada una con 3 layers.
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Al dividir los layers obtenemos que el circuito resultante
consiste de un transistor p-n-p en cascada con otro
transistor n-p-n.
Asumamos que al gate le aplicamos la siguiente señal.
En el intervalo de 0 a t1 segundos Vgate = 0 V y el gate
aparece, tal y como muestra la parte b de la anterior figura,
conectado a tierra. Como VBE 2 < 0.7 V, IB2= 0 A, Q2 está
apagado y excepto por una muy pequeña corriente ICO el
SCR no conduce.
IC2 = IB1 = ICO
Por lo tanto, ambos transistores están apagados
produciendo una alta impedancia entre el emitter y el
colector de cada uno de los dos transistores. El circuito
equivalente para la combinación de los dos transistores es,
tal y como muestra la parte c de la anterior figura, un
circuito abierto.
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Cuando t = t1 un pulso de VG voltios es aplicado al gate. La
siguiente figura muestra lo que en este caso ocurre.
VG = VBE2 es suficientemente alto como para que Q2
prenda. Como resultado, IC2 = IB1 es suficientemente alta
como para prender a Q1. Al prender Q1 aumenta IC1 y ésta a
su vez hace que IB2 aumente. El aumento en IB2 a su vez
hace que IC2 aumente. Después de varias iteraciones del
mismo procedimiento los dos transistores terminan
conduciendo el máximo de corriente de colector. La
resistencia equivalente de ánodo a cátodo, RSCR = V/IA es
baja pues IA es alta. El circuito equivalente para este caso
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es, tal y como muestra la parte b de la anterior figura, el de
un corto circuito.
El proceso iterativo hasta alcanzar la corriente máxima
puede durar entre 0.1  seg a 1  seg, y en dispositivos
capaces de controlar altas potencias, puede tomar de 10 a
25  seg.
Además del mecanismo que hemos explicado en donde se
inyecta un pulso positivo por el gate, el SCR también puede
ser activado aumentando significativamente la temperatura
o aumentando significativamente el voltaje de ánodo a
cátodo.
El SCR no puede ser apagado removiendo la señal del gate.
Hay dos mecanismos para apagar el SCR:
 Interrupción de la corriente de ánodo
 Conmutación forzada
La siguiente figura muestra los dos posibles mecanismos
para apagar el SCR interrumpiendo la corriente.
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Podemos interrumpir la corriente abriendo el circuito en
serie (parte a de la anterior figura) o cerrando el circuito en
paralelo (parte b de la anterior figura).
Conmutación forzada es el mecanismo mediante el cual
forzamos corriente a través del SCR en la dirección opuesta
a la que obtenemos en forward bias.
Hay múltiples formas de lograr la conmutación forzada. La
siguiente figura muestra una de las formas más sencillas de
implementarla.
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El circuito para apagar el SCR consiste de un transistor
n-p-n, una batería VB y un generador de pulsos. Cuando el
SCR conduce, Q1 está apagado. Esto es, la corriente de
base es cero y la impedancia entre colector y emitter es tan
alta que para efectos prácticos es un circuito abierto. Esta
alta impedancia desconecta el circuito de la operación del
SCR.
Para apagar el SCR aplicamos un pulso positivo a la base
del transistor saturándolo y presentando una muy baja
impedancia entre colector y emitter. Tal y como muestra la
parte b de la anterior figura, la batería forzará corriente en
la dirección contraria a la operación normal del SCR. El
proceso de apagar el SCR toma de 5 a 30 micro segundos.
Veamos ahora algunas de las aplicaciones típicas de los
SCRs.
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Half-Wave Series Static Switch
Cuando la onda de entrada es positiva, fluye una corriente
de gate que dispara el SCR. La resistencia R1 limita la
magnitud de la corriente de gate. Cuando dispara el SCR,
disminuye el voltaje VF reduciendo así la corriente de gate
y eliminando las pérdidas. Cuando la señal se vuelve
negativa, se elimina la corriente forward y se apaga el SCR.
Para evitar que cuando el voltaje de entrada sea negativo
fluya corriente por el circuito que alimenta el gate del SCR,
se incluye un diodo.
El circuito rectifica la onda y tan sólo conduce durante la
mitad positiva del ciclo de la onda de entrada. Esto es,
conduce durante 180 de los 360 grados del ciclo de la onda
de entrada.
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Variable-Resistance Phase Control
En esta aplicación el ángulo de conducción fluctúa entre 90
y 180 grados.
La combinación de las resistencias R y R1 limitan la
corriente del gate durante la porción positiva del voltaje de
entrada. Si ajustamos R1 a su valor máximo, la corriente de
gate nunca será lo suficientemente alta como para disparar
al SCR. Si disminuimos R1 a cero, el SCR disparará tan
pronto como la onda de entrada sea positiva, y el circuito
conducirá durante 180 de los 360 grados del ciclo
completo. Ajustando el valor de R1 podemos ajustar el
ángulo al que el SCR comienza a conducir. Siempre
terminaremos con una situación en donde el SCR conducirá
durante no menos de 90 grados y no más de 180 grados del
ciclo de entrada.
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Battery-Charging Regulator
Los diodos D1 y D2 actúan como full wave rectifiers de
forma que los SCRs y la batería de 12 V a ser cargada
siempre vean una onda positiva, aunque el voltaje de
entrada sea negativo la mitad del tiempo. Si la batería está
descargada (i.e. tiene menos de 12 V), el SCR2 se apaga.
Cuando el SCR2 está apagado, el SCR1 se comporta igual
que el series static switch control que ya habíamos visto.
Cuando el input full wave rectified voltage es
suficientemente alto como para disparar al SCR1, éste
prenderá y comenzará a cargar la batería.
Cuando la batería comienza a cargar, VR será un voltaje
muy bajo para poder lograr que el diodo Zener de 11
voltios conduzca. En dicho caso, el diodo Zener se
comporta como si estuviera en circuito abierto,
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manteniendo el SCR2 apagado. El condensador C1 y la
resistencia R3 actúan como un filtro para evitar que un
transient dispare al SCR2.
Según la batería se va cargando, el voltaje sube hasta que
VR es lo suficientemente alto como para hacer que el diodo
Zener conduzca y dispare al SCR2. Una vez el SCR2
dispara, éste se comporta casi como un corto circuito y las
resistencias R1 y R2 actúan como divisor de voltaje para
mantener el voltaje V2 a un nivel demasiado bajo como
para disparar el SCR1. Cuando esto ocurre, la batería se
cargó al máximo y cesó toda corriente de carga hacia la
batería. De esta forma, el regulador recarga la batería cada
vez que su voltaje baja del valor nominal y evita
sobrecargarla cuando ya alcanzó su voltaje máximo.
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Controlador de Temperatura
El calentador de 100 vatios prenderá y se apagará cuando
sea necesario para mantener la temperatura indicada en el
termostato.
Los termostatos de mercurio son muy sensitivos a los
cambios en temperatura y pueden detectar cambios tan
pequeños como 0.1 grados centígrados. Sin embargo, están
muy limitados en su capacidad para manejar corriente.
Toleran menos de 1 mA. En esta aplicación el SCR
funciona como un dispositivo cuya alta corriente es
controlada por otro dispositivo (i.e. termostato) que maneja
una mucho menor corriente.
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El puente está conectado a la fuente AC. Cuando el SCR
está conduciendo, la corriente pasa a través de la resistencia
del calentador. Como hay un bridge de diodos, éstos actúan
como rectificadores de onda completa, siempre y cuando el
SCR esté conduciendo.
Cuando el termostato se abre, con cada pulso de la señal
rectificada se carga el condensador. La constante de tiempo
que define el tiempo de carga es R1C. Una vez el
condensador se carga a un voltaje suficientemente alto
como para disparar el SCR, el SCR conduce y la corriente
pasará por la resistencia del calentador. La misma
operación se repite durante cada medio ciclo de la señal de
entrada. Una vez la temperatura sube y alcanza el nivel
especificado por el termostato, el termostato se cierra
quitándole la corriente de carga al condensador, y se apaga
el SCR. La resistencia R3 con un valor de 510 k mantiene
una pequeña corriente a través del termostato.
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DIAC
Un diac es básicamente un dispositivo de dos terminales
con una combinación en paralelo e inversa de capas
semiconductoras.
Las características del dispositivo, mostradas en la
siguiente figura, demuestran que en cada dirección hay un
voltaje que una vez se excede hace que el semiconductor
conduzca.
Esta posibilidad de conducir en ambas direcciones abre la
puerta a múltiples aplicaciones.
A ninguno de los terminales se le clasifica como cátodo. De
hecho, ambos terminales se clasifican como ánodos.
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Triac
Un Triac es un dispositivo que se comporta como si
consistiera de dos SCR’s back to back pero con un mismo
trigger en común.
Circuito equivalente:
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La siguiente figura muestra un circuito para un dimmer
construido utilizando un triac.
El potenciómetro ajusta la constante de tiempo con que se
carga el condensador, y por lo tanto, la fase de la onda de
entrada a la que el triac dispara. Cada vez que la onda cruza
el eje horizontal (i.e. zero crossing) el triac se apaga, pero
en el próximo medio ciclo una vez el voltaje a través del
condensador llegue a un mínimo, el triac vuelve a disparar.
Lamentablemente, los triac’s no siempre disparan en forma
simétrica. Esto no es deseable, pues esta nolinearidad
aumenta las armónicas que se generan. Con la intención de
resolver este problema, generalmente se utiliza otro
circuito, un diac, para indicarle al triac cuándo es que tiene
que disparar. El siguiente circuito implementa un dimmer
utilizando un diac y un triac.
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El diac garantiza un disparo más uniforme, independiente
de si el voltaje de entrada es positivo o negativo,
reduciendo la cantidad de armónicas.
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Proximity Detector
Un SCR está en serie con la carga y un programmable
unijunction transistor (PUT) está en serie con el electrodo
sensor.
Cuando el cuerpo humano se aproxima al electrodo sensor,
la capacitancia entre el electrodo y ground aumenta. El
programmable UJT (PUT) es un dispositivo que dispara
(i.e. se comporta como corto circuito) cuando el voltaje del
ánodo VA es por lo menos 0.7 V (para silicio) mayor que el
voltaje del gate VG.
Antes de que el PUT dispare, el circuito se comporta como
muestra la siguiente figura.
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Según aumenta el voltaje de entrada, el voltaje del diac VG
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Silicon-Controlled Switch (SCS)
El silicon-controlled switch (SCS), al igual que el siliconcontrolled rectifier (SCR), es un dispositivo pnpn de 4
capas.
El SCS cuenta con un gate en el ánodo y otro en el cátodo.
Su símbolo de circuito y su circuito equivalente son
mostrados en la siguiente figura.
Las características de este dispositivo son esencialmente las
mismas que las del SCR. La única diferencia es que la
corriente del gate del ánodo controla el voltaje requerido
para hacer que el dispositivo conduzca. Esto es, mientras
más grande sea la corriente del gate del ánodo, más bajo
será el voltaje mínimo de ánodo a cátodo para que el
dispositivo conduzca.