t3tiristores ep 0809

25/02/2007 J.D.Aguilar Peña, Universidd de Jaén, http://voltio.ujaen.es/jaguilar 1

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iristor

esElectrónica de Potencia

UNIDAD Nº 1 INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURALección 0.- Introducción a la Electrónica de Potencia (1 HORA)Lección 1.-Repaso conceptos. Potencias y armónicos

UNIDAD Nº 2. REPASO Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIALección 2.- Elementos semiconductores de potenciaLección 3.- Tiristor (antes 5)(3 HORAS)Lección 4.- Gobierno de tiristores y triac (antes 6)(3HORAS)Lección 5.- Disipación de potencia (antes 3)

UNIDAD Nº 3 CONVERTIDORESLección 6.- Convertidores AC/DC( Rectificadores) (antes 7)Lección 7.- Convertidores AC/AC(Reguladores,cicloconvertidores) (antes 8)Lección 8.- Convertidores DC/DC(troceadores conmutados) (antes 9)Lección 9.- Introducción alas fuentes conmutadasLección 10.- Convertidores DC/AC(Inversores)

•Lilen,H. Tiristores y triac. Marcombo.1998•Thyristor data. Mayo 2000. Onsemiconductor; http://www.onsemi.com


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es

Tema 3.- Tiristores

Introducción. Tiristor: Estructura y características, principios de funcionamiento. Nomenclatura. Características estáticas y dinámicas. Métodos de disparo: Disparo por puerta, otros métodos de disparo. Limitaciones de frecuencia. Límites de pendientes de tensión. Limitaciones térmicas. Extinción del SCR: Conmutación natural, conmutación forzada

Tema 4.- Gobierno de tiristores y triac y ejemplos de aplicaciones


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es IntroducciIntroduccióónn

DefiniciDefinicióón: n: El tiristor (SCRSCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestablebiestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados AnodoAnodo, CCáátodotodo y PuertaPuerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, Es un elemento unidireccional, conmutador casi idealconmutador casi ideal y y rectificadorrectificador.


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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS

Estructura Estructura y caractery caracteríística Vstica V--II

Bloqueo directo

Bloqueo inverso

Cátodo

A

K

VAKPuerta

Ánodo

VAK

IA

Zona de transición

Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo

Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce

Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce

Directo conducción

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EstructuraEstructura

( ) Sktqv

SS3S1A I1eIIII ≈−===COEC III +=α

( ) COEB II1I −⋅−= α

( ) CO1A1B1 II1I −⋅−= α

CO2K2C2 III +=α

GAK III +=

( )21

CO2CO1G2A 1

IIIIαα

α+−++

=


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No conducción


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Paso a conducción


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Control de rectificadores controlados

RV1

V1

VR

VR

Disparo

α

Carga resistiva

Cuando el tiristor recibe un pulso de corriente en la puerta comienza a conducir, siempre y cuando tenga polarización directa entre ánodo y cátodoControlando el ángulo de disparo α controlamos la energía que pasa



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esAplicación: Control de motores cc


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SCR:FUNCIONAMIENTO EN CORRIENTE CONTINUA


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La caractercaracteríística real stica real V V –– II del tiristor estárepresentada en la figura:



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iristor

esCaracterCaracteríísticas eststicas estááticas:ticas:

Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en en límite de sus posibilidades: VVRWMRWM, V, VDRMDRM, V, VTT, I, ITAVTAV, I, ITRMSTRMS, I, IRR, , TTjj, I, IHH..

Identifica estos parámetros en la hojas de características de los SCR adjuntos



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CaracterCaracteríísticas de control:sticas de control:

Determinan la naturaleza del cto de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.

Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VVGFMGFM, V, VGRMGRM, I, IGMGM, P, PGMGM, P, PGAVGAV, V, VGTGT, V, VGNT GNT (V(VGDGD)), I, IGTGT, I, IGNT GNT (I(IGDGD))

−−VVGNTGNT (VGD) (VGD) e Ie IGNTGNT (IGD)(IGD) que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.



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TEMA 5:TIRISTORES

CaracterCaracteríísticas de controlsticas de control

ConstrucciConstruccióón de la curva n de la curva caractercaracteríística de puertastica de puerta


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TEMA 5:TIRISTORES

CaracterCaracteríísticas de controlsticas de control

Dentro de esta zona encontramos una parte en la cual el disparodisparo resulta inseguroinseguro Esta corriente mínima disminuye al aumentar la temperatura:

GM

G(AV)

PP

=δ



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Observar las curvas y parámetros de puerta de las hojas de características adjuntas( SKT10 de Semikron)


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AnguloAngulo de Conduccide ConduccióónnLa corrientecorriente y la tensitensióón n mediamedia de un tiristor variarvariaráán n en funcien funcióón del instante en n del instante en el que se produzca el el que se produzca el disparodisparo, es decir, todo va a depender del áángulo de ngulo de conducciconduccióónn. La potencia entregada y la potencia consumida por el dispositivo, también dependerán de él: cuanto mayor sea éste, mayor potencia tendremos a la salida del tiristor


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El cto de la figura representa un control simple de potencia con carga resistiva, calcular:

1.- Tensión de pico en la carga.2.- Corriente de pico en la carga.3.- Tensión media en la carga.4.- Corriente media en la carga.5.- Realizar un estudio mediante PsPice, obteniendo las formas de onda para un ángulo de conducción θ = 60º. Comprobar que los apartados calculados en el ejercicio, coinciden con las simulaciones.Datos: Ve (RMS) = 120V f = 50Hz α = 60º RL = 10Ω

5_2.cir


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169.7V2VVV e(RMS)máxp(carga) =⋅==

16.97V10

169.7R

VI

L

p(carga)p(carga) ===

( ) V5.40cos60º12

7.169Vmed =+⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅=

π

( ) A051.4cos12II máx

med =+⋅⋅

= απ

∫=π

α

απ

2maxRMS )(

21I senI



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CaracterCaracteríísticassticas de de conmutaciconmutacióón:n:

Los tiristores necesitan untiempotiempo para pasar de pasar de bloqueo a conduccibloqueo a conduccióón y n y viceversaviceversa.

A.- Tiempo de Encendido (tON)

El tiempo de encendido (paso de corte a conducción) tON, lo dividimos en dos partes:

A1.- Tiempo de retardoTiempo de retardo. (ttdd)A2.- Tiempo de subidaTiempo de subida. (ttrr)


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B.- Tiempo de Apagado (tOFF)Es el tiempo de paso conduccitiempo de paso conduccióón a corten a corte

Dividimos el tiempo de apagado en dos:

B1.- T de recuperaciT de recuperacióón inversan inversa. (ttrrrr).B2.- T de recuperaciT de recuperacióón de puertan de puerta. (ttgrgr).

grrroff ttt +== qt


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CaracterCaracteríísticassticas de conmutacide conmutacióón:n:

Es aconsejable tratar de identificar los parámetros de conmutación en las hojas de características


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TEMA 5:TIRISTORES: ESTRUCTURAY CARACTERÍSTICAS

Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IIHH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos mLos distintos méétodos de disparo de los tiristores son:todos de disparo de los tiristores son:7.6.1.- Por puerta.7.6.2.- Por módulo de tensión. (V)7.6.3.- Por gradiente de tensión (dV/dt)7.6.4.- Disparo por radiación. 7.6.5.- Disparo por temperatura.

El modo usado modo usado es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseadosmodos no deseados.

MMéétodos de disparo:todos de disparo:Para que se produzca el cebado de un tiristor, la uniunióón n áánodo nodo -- ccáátodotodo debe estar polarizada en directopolarizada en directo y la seseññal de mandoal de mando debe permanecer un tiempo suficientementetiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IILL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.



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Disparo por puerta:Disparo por puerta:

Disparo por Disparo por dcdc

Disparo por impulsoDisparo por impulso Disparo por puerta:Disparo por puerta:


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Disparo por gradiente de tensiDisparo por gradiente de tensióón:n:

Disparo indeseadoDisparo indeseado


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En ctos donde el valor de dV/dt sea superior al valor dado por el fabricante, se pueden utilizar ctosctos supresores de transitoriossupresores de transitorios. Se Se conectanconectan en bornes de la alimentacion, en paralelo con el semiconductor o en paralelo con la carga.

Una solucisolucióón n muy utilizada en la práctica es conectarconectar en paralelo con con el tiristorel tiristor un cto RC (Red SNUBBERRed SNUBBER), para evitar variaciones bruscas de tensión en los extremos del semiconductor:

Limitaciones del tiristorLimitaciones del tiristor

Las más importantes son debidas a:

Frecuencia de funcionamiento.Sobretensiones y pendiente de tensión (dV/dt).Pendiente de intensidad (dI/dt).Temperatura.


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Limitaciones del tiristorLimitaciones del tiristor



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Limitaciones del tiristor: frecuenciaLimitaciones del tiristor: frecuencia


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Ejemplo de calculo rápido red RC:El SCR del cto de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. La descarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS al circuito. Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta delelemento, calcular:

1º) Valor del condensador de la red de protección. 2º) Valor de la resistencia de protección.

Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20Ω; Imáx = 3A

5.55A120311V

RV(0)I

L

máx SC =

Ω==

F311.0s/V50

15.55Adt

dVCI C µµ

==⇒⋅= C

Ω=== 100103.63A

311VR


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MMÉÉTODOS PARA EL CTODOS PARA EL CÁÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE LCULO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIPROTECCIÓÓN:N:A.- MMéétodo de la constante de tiempotodo de la constante de tiempo (más utilizado).B.- MMéétodo resonantetodo resonante.(Rashid)

A.- Método de la constante de tiempo

Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante de tiempo (ττ) de la dV/dtdV/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:

min

DRM

dtdV

V0.63

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅=τ

LRC τ=

( ) KIIVR

LTSM

Amáx

⋅−=

KK= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)

CdtdIVR Amáx

min

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

La misiLa misióón de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produn de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la ce la descarga instantdescarga instantáánea del condensador al inicio de la conduccinea del condensador al inicio de la conduccióón.n.


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Limitaciones de la pendiente de intensidad (Limitaciones de la pendiente de intensidad (dIdI//dtdt))

Una variaciUna variacióón rn ráápida de la intensidad puede dar lugar a una pida de la intensidad puede dar lugar a una destruccidestruccióón del tiristorn del tiristor.(creación de puntos calientes)

Un procedimientoUn procedimiento posible es aaññadir una inductancia L para conseguir que la adir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (pendiente de la intensidad (dIdI//dtdt) no sobrepase el valor especificado en las ) no sobrepase el valor especificado en las caractercaracteríísticas del estado de conmutacisticas del estado de conmutacióónn.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

⋅−

LtR

A e1RVI

máx

A

dtdI

VL =



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Supongamos que el tiristor estácolocado según la figura. Calcular aplicando el método de la cte de tiempo el cto de protección contra dV/dt y dI/dt.

Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5Ω;

SCR: VDRM = 500V; ITSM = 250A; dI/dt = 13.5 A/µs; dV/dt = 50V/µs 294V2208V Amáx =⋅=

s3.6

dtdV

V0.63

min

DRM µτ =

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅=

F26.1R

C µτ==

( ) Ω=⋅−

= 83.3KII

VRLTSM

AmáxS

Ω=⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

= 15.4C

dtdIVR Amáx

min

H7.21

dtdI

VL Amáx µ==


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sobreintensidadessobreintensidades El fusible debe de conducir la corriente nominal del dispositivo

La energía permitida para el fusible i2t < i2t dispositivo


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Limitaciones de la temperaturaLimitaciones de la temperatura

Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son repetitivos, la potencia mediapotencia media disipada en un tiristor será:

puerta.dePotenciadtIVT1P

T

0 AAKAV +⋅⋅⋅= ∫

∫ ⋅⋅⋅= 2

1

t

t AAKAV dtIVT1P

RIVV A0AK ⋅+=

Podemos decir que las plas péérdidas con una tensirdidas con una tensióón de n de alimentacialimentacióón dada y una carga fija, aumentan con el n dada y una carga fija, aumentan con el áángulo de conduccingulo de conduccióón (n (αα).).Si la conducción se inicia en t1 y termina en t2, la potencia potencia mediamedia de perdidas será:

( )2A(RMS)A(AV)0AV IRIVP ⋅+⋅=


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DISIPACIÓN DE POTENCIA



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Encapsulados

TO 220 ACD 61

DOP 31

TO 247

B 44

DO 5

En general, cuanto más grandes son y cuanto más superficie metálica tienen, más grande es la capacidad de evacuación de calor


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Ejemplo de disipadores


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Si

j

c

aoblea

encapsulado

ambiente

P (W)

Equivalente eléctrico

P (W)

RTHjc RTHca

Ta

j

c

a

Ta : Temperatura ambiente

Tensiones = Temperaturas

Corriente = Pérdidas (W)

TEMA 3: DISIPACIÓN DE POTENCIA


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es

)RR(RPTT dcdjcdaj ++×=−



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iristor

esCuanto vale la máxima potencia que puede disipar el dispositivo sin que se rompa por

sobrecalentamiento ( o la máxima intensidad?)

Sin disipador de calorRja

TTsdPmax aj −=

W13.175

25110sdPmax =

−=


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es

( )

( )

( )

sdPP

Amp

RVI

IV

TAVTAV

AVT

AVT

<

=+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

×××

=+⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

××=

⇒+⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅=

02.00 cos14702224

cos12

max

cos12maxV

)(

)(dc

π

απ

απ

No hace falta disipador


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es

Cuanto vale la máxima potencia que puede disipar el dispositivo sin que se rompa por

sobrecalentamiento ( o la máxima intensidad?)

Con disipador de calor

)RR(RT*T

Pdcdjc

ajmax ++

−=

K


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es

Un SCR (BTY 91) con Rjc = 1.6ºC/W y con Rcd = 0.2ºC/W, alimenta a una carga resistiva de 10Ω a partir de una señal alterna de

220VRMS. Si la conducción del SCR es completa (α = 0º). Calcular el disipador para una temperatura ambiente de 40ºC utilizando la

gráfica representada en la figura.

( ) A10cos1R2

2220ITAV =+⋅⋅

= απ

A(AV)

A(RMS)

II

fa ==



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es


ExtinciExtincióón del tiristor. Tipos de conmutacin del tiristor. Tipos de conmutacióón.n.

Entenderemos por extinciextincióónn, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducciconduccióónn a pasar a cortea corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.

Conmutación Natural

-a.-) LibreLibre-b.-) AsistidaAsistida

Conmutación Forzada

-a.-) Por contacto mecPor contacto mecáániconico-b.-) Por Por ctocto resonanteresonante

--SerieSerie--ParaleloParalelo

-c.-) Por carga de condensadorPor carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliarPor tiristor auxiliar

intensidad por el tiristor intensidad por el tiristor se anula por si mismase anula por si misma

Secuencia lSecuencia lóógica de la gica de la fuente primariafuente primaria


E.P

.SIng

enier

ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es


ConmutaciConmutacióón forzada.n forzada.

Para provocar la conmutaciPara provocar la conmutacióónn del tiristor, será necesario anular la anular la corriente ancorriente anóódica durante un tiempo suficientedica durante un tiempo suficiente para que el tiristor pueda pasar a corte. Este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, puesto que si su duración es inferior a un valor determinado por ttoffoff (valor intrínseco al tiristor utilizado) no tendrá lugar la conmutación del dispositivo.


E.P

.SIng

enier

ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es


Sea el circuito de la figura. Para un tiempo de apagado del tiristor de toff= 15µs, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado.

Datos: E = 100V;R0 = 5Ω;C = 5µF

( )

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∞−+∞==∞

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

⋅−

⋅−

⋅−

CRtq

C

CRt

CCCCC

CCR

t

C

0

0

0

e-E)(V

e)(V)0(V)(V)(V ;A )(V

BA)0(V ; eBA)(V

EEt

t

t

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+−= ⋅

−

CRt

0

q

eE2E0

CR0.693t 0q ⋅⋅=toffs33.1710550.693CR0.693t -6

0q >=⋅⋅⋅=⋅⋅= µ


E.P

.SIng

enier

ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es


FFundamento de conmutaciundamento de conmutacióón por n por ctocto resonanteresonante

LC21

π=f

∫ ==++ 00)(tvidtC1

dtdiL C

senwtLCVi(t) C+=

coswtV(t)v CC +=



E.P

.SIng

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ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es


Conmutación por carga de condensador

La extinciextincióón n del tiristor se consigue con el circuito de se consigue con el circuito de la figurala figura:

En el cto anterior podemos distinguir 2 partes: cto de potencia constituido por la fuente E, el tiristor T1 y la carga RO (resistiva pura); y el cto auxiliar de bloqueo formado por R, C y un tiristor auxiliar T2.

El cto puede se comparado con un biestablebiestable asimasiméétrico de potenciatrico de potencia, en el que los tiristores conducen de forma alternada.


E.P

.SIng

enier

ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es


TRIACTRIAC GTOGTO ZTOZTO FOTOTIRISTOREFOTOTIRISTORES S SITHSITH ASCRASCR MCTMCT

TRIACTRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccionaldispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de corriente alterna.


E.P

.SIng

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ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

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nica

Elec

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a de

Poten

cia:T

iristor

es



E.P

.SIng

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ía Té

cnica

Indu

strial

:

Esp.E

lectró

nica

Elec

trónic

a de

Poten

cia:T

iristor

es




E.P

.SIng

enier

ía Té

cnica

Indu

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:

Esp.E

lectró

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Elec

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a de

Poten

cia:T

iristor

es



E.P

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ía Té

cnica

Indu

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:

Esp.E

lectró

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Elec

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a de

Poten

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iristor

es



E.P

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ía Té

cnica

Indu

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:

Esp.E

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a de

Poten

cia:T

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es



E.P

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cnica

Indu

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:

Esp.E

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nica

Elec

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a de

Poten

cia:T

iristor

es




E.P

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Indu

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Elec

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Poten

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GTO (GTO (Gate Gate -- Turn Turn -- Off)Off)Dispositivo semiconductor de potencia que combina características de un tiristor convencional con las de un transistor bipolar, presentando la ventajaventajade poder pasar de conduccipasar de conduccióón a bloqueo mediante la aplicacin a bloqueo mediante la aplicacióón de un n de un impulso negativo a la puertaimpulso negativo a la puerta

Es equivalente a una resistencia la cual es incapaz de bloquear voltaje. Para continua el dispositivo no presenta ningún problema, no obstante, si queremos bloquear cualquier voltaje inverso, deberemos conectar en serie con el GTO un diodo. Si deseamos que pase la corriente, deberemos conectar un diodo en antiparalelo con el dispositivo.


E.P

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ía Té

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E.P

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Poten

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E.P

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Poten

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Busca en la red las características de los elementos siguientes tratando de identificar las diferentes caracteristicas presentadas:

SKT10 un tiristor de semikron

BT151 tiristor de Philips

BT138 Triac Fabricantes

ST MICROELECTRONICS

Semikron

PHILIPS SEMICONDUCTORS

INTERNATIONAL RECTIFIER


t3tiristores ep 0809

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