Semiconductores y diodo

ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ING. DIEGO GONZÁLEZ M.I

UNIDAD 1
• Conocer las características fundamentales de los semiconductores de
potencia
• Determinar el funcionamiento de los semiconductores de potencia
dentro de un circuito electrónico
• Recordar que son los semiconductores
• Recordar que es el diodo

Introducción – Estructura atómica
• En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
- El núcleo es la parte central del átomo y contiene:
Protones (Cargas positivas)
Neutrones (Cargas neutras)
La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.
Por otro lado la corteza contiene en distintos niveles:
Electrones (Carga negativa)
La masa de un electrón es 2000 veces mayor que la de un protón

Introducción – Estructura
atómica
• Los átomos son eléctricamente neutros, debido
a que tienen igual número de protones que de
electrones. Así, el número atómico también
coincide con el número de electrones.

 El núcleo genera una fuerza de atracción
a los electrones orbitales, estos
electrones no caen en el núcleo gracias
a la fuerza centrífuga que general los
electrones al girar en las órbitas a gran
velocidad.
 Los electrones de la última capa
presentan menor fuerza de atracción
hacia el núcleo, por tanto, tienden a
escapar cuando se presenta cierto tipo
de excitación, por tal motivo elementos
como el cobre es un buen conductor de
electricidad ya que tiene un único
electrón en su órbita mas distante.

• El número de electrones por capa de un átomo se determina por la siguiente fórmula:
Ne= 2n2
n = número de capas
Cobre:
Ne1= 2(1)2
Ne1=2
Ne2=8
Ne3=18
Ne4=1 (electrón restante)

• EJERCICIO
Realice el gráfico y cálculo de la distribución atómica del átomo de la plata Ag y Au

• SOLUCIÓN

• En electrónica lo único que interesa es la órbita exterior denominada órbita de valencia. Gracias a esta
orbita se determinan las propiedades eléctricas del átomo.
 En electrónica lo único que interesa es la órbita exterior denominada órbita de valencia. Gracias a esta
orbita se determinan las propiedades eléctricas del átomo.

Mejores conductores

Semiconductores
• Los mejores conductores (plata, cobre y oro) tienen un electrón de valencia,
mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia.
• Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un
conductor y las de un aislante. Como cabría esperar, los mejores
semiconductores tienen cuatro electrones de valencia

Semiconductores
GERMANIO:
El germanio es un ejemplo de
semiconductor. Tiene cuatro electrones en
su orbital de valencia. Hace unos años el
germanio era el único material adecuado
para la fabricación de dispositivos de
semiconductores. Sin embargo, estos
dispositivos de germanio tenían un grave
inconveniente, su excesiva corriente
inversa

Semiconductores
SILICIO
Después del oxigeno, el silicio es el elemento
más abundante de la tierra.
Sin embargo, existieron algunos problemas
que impidieron su uso en los
primeros días de los semiconductores.

Semiconductores – Cristales de Silicio
• Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura
ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre
átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un
equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de
valencia con los átomos vecinos, de tal manera que
tiene 8 electrones en la órbita de valencia

Cristales de Silicio – Definición de hueco
• Mediante la excitación térmica se genera vibraciones en la estructura atómica,
especialmente en la órbita de valencia lo cual provoca el desprendimiento de electrones a
una órbita superior dejando un HUECO lo que provoca una carga positiva o ion positivo.

Semiconductor Intrínseco
• Un semiconductor intrínseco es un semiconducto puro. Un cristal de
silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un
átomo de silicio.
• A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta mas o
menos como un aislante, ya que tiene solamente unos cuantos
electrones libres y sus huecos correspondientes producidos por la
energía térmica que posee dicho cristal.

Semiconductor Extrínseco
• Es necesario dopar al cristal de Silicio puro para que éste trabaje
como un conductor, para lo cual se usa elementos pentavalentes
como el Fósforo, Arsénico
• Debido a que los elementos pentavalentes aportan un electrón el
semiconductor extrínseco se denomina tipo N ya que queda cargado
negativamente.

Semiconductores extrínsecos tipo N y P
• TIPO N (cátodo)
• Elementos pentavalentes (P, As)
• Dona 1 electrón
• Carga negativa
 TIPO P (ánodo)
 Elementos trivalentes(B,Al,Ga)
 Dona 1 hueco
 Carga positiva

RESISTENCIA ELÉCTRICA
22k Ohm 5% tolerancia 4.7k Ohm 5% tolerancia 1M Ohm 5% tolerancia

RESISTENCIAS ELÉCTRICAS - CONEXIONES

AUTOEVALUACIÓN – INTRODUCCIÓN
Responda las siguientes preguntas de repaso sobre la unidad:
• ¿Qué es un átomo?, ¿qué es un electrón?, ¿qué es un electrón de valencia
y un electrón libre?
• ¿Cuál es la diferencia entre conductores y aislantes?
• Nombre tres de los materiales que son buenos conductores.
• ¿Qué es un semiconductor?
• ¿Qué significa el término intrínseco y extrínseco?
• ¿Hay electrones libres en la banda de valencia o en la banda de
conducción?

DIODO SEMICONDUCTOR
• Ahora que los materiales tanto tipo n como tipo p están
disponibles, podemos construir nuestro primer dispositivo
electrónico de estado sólido. Se crea uniendo un material tipo
“n” a un material tipo “p”,
• Sólo la unión de un material con un portador mayoritario de
electrones a uno con un portador mayoritario de huecos.
• Tipos de Polarización del diodo:
• Sin Polarizar
• Polarización directa
• Polarización inversa

SIMBOLOGÍA Y ENCAPSULADOS DEL DIODO

1.2. DIODO SEMICONDUCTOR – SIN
POLARIDAD V=0V
• En el momento en que los dos materiales se “unen”, los electrones y
los huecos en la región de la unión se combinan y provocan una
carencia de portadores libres en la región próxima a la unión.
Sin ninguna polarización aplicada a través de un diodo
semiconductor, el flujo neto de carga en una dirección es cero.

1.2. DIODO SEMICONDUCTOR –POLARIZACIÓN
INVERSA VD<0V
• Si se aplica un potencial externo de V volts a través de la unión p-n con la terminal positiva
conectada al material tipo n y la negativa conectada al material tipo p, el número de iones
positivos revelados en la región de empobrecimiento del material tipo n se incrementará por la
gran cantidad de electrones libres atraídos por el potencial positivo del voltaje aplicado.
• Por las mismas razones, el número de iones negativos no revelados se incrementará en el material
tipo p. El efecto neto, por consiguiente, es una mayor apertura de la región de empobrecimiento,
la cual crea una barrera demasiado grande para que los portadores mayoritarios la puedan
superar, por lo que el flujo de portadores mayoritarios se reduce efectivamente a cero.
La corriente en condiciones de
polarización en inversa se llama
corriente de saturación en inversa
y está representada por Is.

1.2. DIODO SEMICONDUCTOR –
POLARIZACIÓ DIRECTA VD>0V
• La condición de polarización en directa o “encendido” se establece aplicando el potencial
positivo al material tipo p y el potencial negativo al tipo n.
• La aplicación de un potencial de polarización en directa VD “presionará” a los electrones en
el material tipo n y a los huecos en el material tipo p para que se recombinen con los iones
próximos al límite y reducirá el ancho de la región de empobrecimiento

CURVA CARACTERÍSTICA DIODO DE SILICIO
• En cuanto se incrementa la magnitud de la
polarización aplicada, el ancho de la región de
empobrecimiento continuará reduciéndose hasta
que un flujo de electrones pueda atravesar la
unión, lo que produce un crecimiento
exponencial de la corriente
• El voltaje a través de un diodo polarizado en
directa será menor de 1 V.

REGIÓN ZENER
• Aun cuando la escala de la figura está en
décimas de volts en la región negativa, hay un
punto donde la aplicación de un voltaje
demasiado negativo producirá un cambio
abrupto de las características, como se
muestra en la figura. La corriente se
incrementa muy rápido en una dirección
opuesta a la de la región de voltaje positivo. El
potencial de polarización en inversa que
produce este cambio dramático de las
características se llama potencial Zener y su
símbolo es VZ.

DIODO ZENER
• Los diodos rectificadores y los
diodos de pequeña señal nunca
trabajan de forma intencionada
en la región de disrupción, ya que
podrían resultar dañados. Un
diodo zener es diferente; es un
diodo de silicio que el fabricante
ha optimizado para trabajar en la
región de disrupción (Zener).

DIODO ZENER -
REGULADOR
• A veces, al diodo zener se le llama diodo regulador de
tensión porque mantiene una tensión de salida constante
incluso cuando la corriente que le recorre varía.
• Además, para operar en la región de disrupción, la tensión
de la fuente VS tiene que ser mayor que la tensión de
disrupción del zener VZ. Siempre se utiliza una resistencia
serie RS para limitar la corriente del zener a una corriente
menor que su máxima corriente de operación

TIEMPO DE RECUPERACIÓN INVERSA
• Tiempo de recuperación inverso.
El paso del estado de conducción
al de bloqueo en el diodo no se
efectúa instantáneamente
• trr, tiempo de recuperación inversa
• ts, tiempo de almacenamiento
• tt, tiempo de transición
trr= ts+tt

APROXIMACIONES
DEL DIODO
APROXIMACIONES
DEL DIODO
DIODO
IDEAL
SEGUNDA
APROXIMACIÓN
TERCERA
APRXIMACIÓN

1.2. DIODO SEMICONDUCTOR EJERCICIOS
• POLARIZACIÓN DIRECTA  POLARIZACIÓN INVERSA

1.2. DIODO SEMICONDUCTOR EJERCICIOS

APLICACIONES DE LOS DIODOS
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

APLICACIONES DE LOS DIODOS
REGULADORES DE VOLTAJE

TIRISTORES
Ing. Diego González M.I.

Objetivos:
• Conocer el funcionamiento básico de elementos de tres capas

TIRISTORES
• La palabra tiristor viene del griego y significa “puerta”, en el sentido de una
puerta que se abre y deja pasar algo.
SCR Y TRIAC

REALIMENTACIÓN POSITIVA Y LATCH
• CERRAR LATCH: Cualquier variación en la corriente de base de Q2 es amplificada y
realimentada a Q1 para aumentar la variación original. Esta realimentación positiva
continúa variando la corriente de base de Q2 hasta que ambos transistores entran en
saturación o en corte.
• Reduciendo la tensión de alimentación VCC a cero. Esto fuerza a que los transistores
conmuten del estado de saturación al corte. A este tipo de apertura se le denomina
bloqueo por disminución de corriente,

SCR (silicon controlled rectifier, rectificador
controlado de silicio)
• Es el tiristor más ampliamente utilizado. Puede conmutar corrientes
muy altas, razón por la que se emplea para controlar motores,
hornos, aparatos de aire acondicionado y calefactores de inducción.
• Los SCR están diseñados para manejar valores de corriente y de
tensión más altos que otros tipos de tiristor. Actualmente, algunos
SCR son capaces de controlar corrientes de hasta 1,5 kA y tensiones
por encima de 2 kV.

DISPARO DE LA PUERTA
• La entrada es la puerta, en la parte superior se encuentra
el ánodo, y en la inferior el cátodo. El SCR es mucho más
útil que el diodo de cuatro capas porque el disparo de
puerta es más sencillo que el disparo mediante la tensión
de cebado.

TENSIÓN DE ENTRADA REQUERIDA
• Un SCR como el mostrado en la Figura tiene una tensión
de puerta VG. Cuando esta tensión es mayor que VGT, el
SCR conducirá y la tensión de salida caerá de VCC a un
valor más bajo. En ocasiones, se utiliza una resistencia de
puerta como se muestra aquí. Esta resistencia limita la
corriente de puerta a un valor seguro. La tensión de puerta
necesaria para disparar un SCR tiene que ser mayor que:
• VGT e IGT son la tensión y la corriente
de disparo de puerta

CÓMO SE REINICIA EL SCR
• Después de que el SCR ha entrado en conducción (estado on), permanece
en dicho estado incluso aunque la alimentación de puerta, Vin, se haga
igual a cero. En este caso, la salida permanece indefinidamente a nivel
bajo. Para reiniciar el SCR, hay que reducir la corriente del ánodo al cátodo
a un valor menor que su corriente de mantenimiento, IH.
• Esto se puede hacer:
• reduciendo VCC a un valor bajo.
VCC = 0,7V + IHRL
• Interrupción de la corriente (a,b) y la conmutación forzada (c)

EJEMPLO
• El SCR tiene una tensión de disparo de 0,75 V y una corriente de
disparo de 7 mA. ¿Cuál es la tensión de entrada que pone al SCR en
conducción? Si la corriente de mantenimiento es igual a 6 mA, ¿cuál
es la tensión de alimentación que bloquea al SCR?

SCR
• https://www.youtube.com/watch?v=3RzjYXFARCw

TAREA
1.Determine la tensión de entrada necesaria para disparar el
SCR y ponerlo en conducción y la tensión de alimentación
que lo bloqueará. Utilice los valores típicos de un SCR
2N6564.
• ¿Qué función realiza el circuito de la siguiente Figura ?
¿Cuál es la tensión de pico de salida? ¿Cuál es la
frecuencia de la onda en diente de sierra si su período es
aproximadamente el 20 por ciento de la constante de
tiempo?
Entregar los cálculos en formato PDF y las
simulación en proteus para el día:
Aula virtual: Miércoles 22 de enero de
2020

TRIAC
• El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de
corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede
ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de
mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es
decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

TRIAC
• Cuando el triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una
terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado.
Cuando el voltaje es mas positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye
de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac
deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad
del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto.
• Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al triac (dv/dt) aún sin
conducción previa, el triac puede entrar en conducción directa.

TRIAC
• El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo, este dispositivo es
equivalente a dos latchs

TRIAC
• Curva característica tensión – corriente
• La figura describe la característica tensión – corriente del
Triac. Muestra la corriente a través del Triac como una
función de la tensión entre los ánodos MT2 y MT1.
• El punto VBD ( tensión de ruptura) es el punto por el cual
el dispositivo pasa de una resistencia alta a una
resistencia baja y la corriente, a través del Triac, crece
con un pequeño cambio en la tensión entre los ánodos.
• El Triac permanece en estado ON hasta que la corriente
disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento
IH. Esto se realiza por medio de la disminución de la
tensión de la fuente. Una vez que el Triac entra en
conducción, la compuerta no controla mas la
conducción, por esta razón se acostumbra dar un pulso
de corriente corto y de esta manera se impide la
disipación de energía sobrante en la compuerta.
• El mismo proceso ocurre con respecto al tercer
cuadrante, cuando la tensión en el ánodo MT2 es
negativa con respecto al ánodo MT1 y obtenemos la
característica invertida. Por esto es un componente
simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo
se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la
curva es igual a la del III

TRIAC
• METODOS DE DISPARO
• Como hemos dicho, el Triac posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G.
• La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1.
• El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre
los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de
empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos
internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

TRIAC
• El primer modo
• Del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del Ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son
positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo mas común (Intensidad de compuerta entrante).
• La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la union P2N2 y en parte a través de la zona P2.
Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la
caida de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en
la figura por signos + y - .
• Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados
por ella iniciándose la conducción.
• El Segundo modo
• Del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son
negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente).
• Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en
P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más
positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión
N1P1 y la hacen pasar a conducción.

TRIAC
• El tercer modo
• Del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la
tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).
• El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura
• auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.
• El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se
pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La
unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura
auxiliar, entrando en conducción.
• El cuarto modo
• Del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la
tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).
• El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.
• La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbido por su
potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1
próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1
encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.
• El estado I(+), seguido de III(-) es aquel en que la corriente de compuerta necesaria para el disparo es mínima. En el resto de los
estados es necesaria una corriente de disparo mayor. El modo III(+) es el de disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo
posible.
• En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el fabricante, asegura el disparo en todos los estados.

TRIAC
• CIRCUITO PRACTICO PARA DISPARO

TRIAC
• CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Transistores de unión
bipolare - BJT

Transistores
de union
bipolare - BJT

Niveles de dopaje del transistor BJT
Niveles de dopaje
• Emisor: altamente dopado (mayor
grado de impurezas)
• Base: Ligeramente dopado
(ligeramente grado de impurezas)
• Colector: Dopaje intermedio
(intermedio grado de impurezas)
Diodos del emisor y colector
• Diodo inferior unión emisor-base
denominado diodo emisor.
• Diodo superior unión colector base
denominado diodo colector.

Polarización de los BJT
ELECTRONES EN EL EMISOR
• El trabajo que realiza el emisor
fuertemente dopado es el
siguiente: emite o inyecta sus
electrones libres en la base. La
base ligeramente dopada
también tiene un propósito
bien definido: pasar los
electrones inyectados por el
emisor al colector. El colector
debe su nombre precisamente
a que recolecta la mayor parte
de los electrones de la base.
ELECTRONES EN LA BASE
Si el VBB es mayor que la barrera de potencial emisor –
base, los electrones del emisor entrarán en la base
Los electrones pueden fluir ya sea hacia la resistencia
RB como hacia el colector. El camino a recorrer de la
mayoría de los electrones será por el colector por dos
razones:
• La base está ligeramente dopada: los
electrones libres tienen un tiempo de vida
largo en la región base.
• La base es muy estrecha: los electrones libres
deben recorrer una distancia muy corta para
alcanzar al colector.
Sólo unos pocos electrones libres se recombinarán con
los huecos en la base ligeramente dopada, como
electrones de valencia, fluirán a través de la resistencia
de base hasta el terminal positivo de la fuente de
alimentación VBB.
ELECTRONES EN EL COLECTOR
Casi todos los electrones libres
entran en el colector, una vez
estando ahí se verán atraídos
por la fuente VCC por lo que
atraviesa RC hasta alcanzar el
terminal positivo de
alimentación del colector

Corrientes en el
transistor BJT
• Aplicando las leyes de
Kirkchoff se puede encontrar
la relación de las corrientes
de base, emisor y colector

Corrientes en el transistor BJT
SENTIDO DE
CORRIENTE
CONVENCIONAL
TRANSISTOR NPN
SENTIDO DE
CORRIENTE REAL
TRANSISTOR NPN
SENTIDO DE
CORRIENTE REAL Y
CONVENCIONAL
TRANSISTOR PNP

Ganancia β en el transistor BJT
• La beta de continua también se conoce como ganancia
de corriente porque una corriente de base pequeña
controla a una corriente de colector mucho más grande.
• La ganancia de corriente es una importante ventaja de un
transistor y ha llevado a todo tipo de aplicaciones. En los
transistores de baja potencia (menos de 1 W), la ganancia
de corriente normalmente está comprendida entre 100 y
300. Los transistores de alta potencia (por encima de 1
W) tienen usualmente ganancias de corriente
comprendidas entre 20 y 100
ALFA
Dado que la corriente de colector es prácticamente igual que la
corriente de emisor, el alfa de continua es un poco menor que 1

CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN
TRANSISTOR BJT

CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN
TRANSISTOR BJT
Los transistores BJT son controlados por corriente

Polarización del BJT – Divisor de tensión

Polarización del BJT – Con dos alimentadores

PRÁCTICA
EXPERIMENTAL
TRANSISTOR BJT
• Transistor BD137 o similar.
• LDR (fotorresistor)
• Resistencia variable de 10KΩ
• Resistencia de 220Ω
• Diodo LED
• Motor de CC
• Diodo rectificador
• Relé
• Placa protoboard
• Cables de conexión
• 3 baterías de 1.5 V con adaptador

Transistores de efecto
campo FET

TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO
Objetivos:
• Conocer la construcción y características del FET
• Determinar los modos de operación Básica
• Caracterizar al MOSFET
• Conocer la estructura metal-óxido-semiconductor

TRANSISTORES
EFECTO CAMPO FET
• El transistor FET (field-effect transistor, transistor de
efecto de campo) es un dispositivo mediante el cual se
puede controlar el paso de una cierta cantidad de
corriente haciendo variar una tensión, esa es la idea
principal; existen 2 tipos de FET los de canal n y los de
canal p.
• Este tipo de dispositivo es unipolar porque su operación
sólo depende de un tipo de carga, electrones libres o
huecos. En otras palabras, un FET tiene portadores
mayoritarios, pero no portadores minoritarios.

Transistor de efecto de campo metal-óxido-
semiconductor MOSFET
• El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, Source),
drenador (D, Drain), puerta (G, Gate) y sustrato (B, Bulk). Sin embargo, el
sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y
por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.

Funcionamiento del MOSFET
https://www.youtube.com/watch?v=AAWwn1Uc5zU

IGBT

CONSTRUCCIÓN BÁSICA
• Tanto los MOSFET de potencia como los BJT se pueden emplear en
aplicaciones de conmutación de alta potencia.
• El MOSFET tiene la ventaja de una mayor velocidad de conmutación
• BJT tiene menores pérdidas de conducción.
• COMBINACIÓN:
• Este dispositivo híbrido existe y es el IGBT (insulated-gate bipolar transistor,
transistor bipolar de puerta aislada)

CONSTRUCCIÓN BÁSICA
• Su estructura es parecida a la de un MOSFET de potencia de canal n
construido sobre un sustrato de tipo p. Como puede ver, tiene
terminales de puerta, emisor y colector.
• Hay disponibles dos versiones de este dispositivo conocidas como
IGBT PT (punch-through) e IGBT NPT (nonpunch-through).
IGBNPT

DIFERENCIAS ENTRE PT Y NPT
• Las versiones NPT tienen valores de conducción VCE(on) mayores que
las versiones PT y un coeficiente de temperatura positivo. Este
coeficiente de temperatura positivo hace que el NPT sea adecuado
para montaje en paralelo. Las versiones PT, que tienen la capa n
adicional, presenta la ventaja de velocidades de conmutación más
altas y un coeficiente de temperatura negativo

SÍMBOLOS DEL IGBT
• Las Figuras a y b muestran dos símbolos esquemáticos
para el IGBT de canal n. La Figura c también muestra un
circuito equivalente simplificado de este dispositivo.
• El IGBT es un dispositivo normalmente en corte y con una
alta impedancia de entrada. Cuando la tensión de entrada,
VGE, sea lo suficientemente grande, comenzará a circular
la corriente de colector. Este valor mínimo de tensión es la
tensión umbral de puerta, VGE(umbral).

CÁLCULOS DE POTENCIA
Ing. Diego González M.I

OBJETIVOS:
• Revisar conceptos básicos sobre potencia
• Calcular la potencia en circuitos con corriente y tensión no sinusoidal
• Determinar los efectos de la frecuencia el la electrónica de potencia

POTENCIA Y ENERGÍA
• La potencia instantánea de cualquier dispositivo se calcula a partir de
la tensión en bornas del mismo y de la corriente que le atraviesa. La
potencia instantánea es:

POTENCIA Y ENERGÍA
• La relación es valida para cualquier
dispositivo o circuito. Generalmente, la
potencia instantánea es una magnitud que
varia con el tiempo. Si se cumple el
convenio de signos aplicado a dispositivos
pasivos ilustrado en la Figura a, el
dispositivo absorbe potencia si p(t) es
positiva en un valor determinado de
tiempo t. El dispositivo entrega potencia si
p(t) es negativa. Los generadores utilizan
frecuentemente una determinada dirección
para la corriente que es coherente con la
entrega de potencia. Con el convenio de la
Figura b, una p(t) positiva indica que el
generador esta entregando potencia.
(a) Convenio de signos en dispositivos
pasivos: p(t) > 0 indica que la
potencia esta siendo absorbida,
(b) p{t) > 0 indica que el generador esta
entregando potencia.

ENERGÍA
• La energía, o trabajo, es la
integral de la potencia
instantánea. Siguiendo el
convenio de signos para
dispositivos pasivos, la energía
absorbida por un componente
en el intervalo de tiempo de t1,
a t2 es:
• Si v(t) esta expresado en voltios e i(t) en amperios, la potencia se expresara
en vatios y la energía en julios.

Potencia media
• Las funciones de tensión y corriente periódicas producen una función
de potencia instantánea periódica. La potencia media es el promedio
a lo largo del tiempo de p(t) durante uno o mas periodos. La potencia
media, P, se calcula con la siguiente formula:
• donde T es el periodo de la forma de onda de potencia. Combinando
las Ecuaciones de la energía y la potencia media, la potencia también
se calcula a partir de la energía en cada periodo:

Potencia media
• La potencia media algunas veces también se denomina potencia activa o
potencia real, especialmente en circuitos de alterna. El termino potencia
significa, normalmente, potencia media. La potencia media total absorbida
en un circuito es igual a la potencia media total suministrada.

Ejemplo:
• En las Figuras 2.2a y b se muestran
la tension y la corriente (de
acuerdo con el convenio de signos
para dispositivos pasivos) de un
dispositivo, (a) Determine la
potencia instantanea p(t) absorbida
por el dispositivo, (b) Determine la
energia absorbida por el dispositivo
en un periodo, (c) Determine la
potencia media absorbida por el
dispositivo.

Ejemplo:
• (a) La potencia instantánea se calcula con la expresión antes indicada
(2.1) La tensión y la corriente se expresan como:

Ejemplo:
• La potencia instantánea, mostrada en la Figura c, es el producto de la
tensión por la corriente y se expresa de la siguiente forma:

Ejemplo:
• (b) La energía absorbida por el dispositivo en un periodo (2.2)

Ejemplo:
• La potencia media se determina (2.3)
• La potencia media también se puede calcular (2.4 )utilizando la
energía por periodo obtenida en el apartado (b):

Potencia media
• Un caso especial que se encuentra con frecuencia en
los circuitos electrónicos de potencia es la potencia
absorbida o suministrada por una fuente de
continua. Entre las aplicaciones se incluyen los
circuitos de carga de baterías y las fuentes de
alimentación de corriente continua. La potencia
media absorbida por una fuente de tensión continua
v(t) = Vcc que tenga una corriente periódica i(t) se
deriva de la definición básica de la potencia media
(2.3)
• Extrayendo la constante Vcc de la integral:
• El termino que aparece entre corchetes
representa el valor medio de la forma de
onda de corriente. Por tanto, la potencia
media absorbida por una fuente de tensión
continua es el producto de la tensión por la
corriente media:
• De igual modo, la potencia media absorbida
por una fuente de corriente continua i(t) = /
v es:

Ejemplo:
• La corriente en la bobina de 5 mH de
la Figura 2.3a es la forma de onda
triangular periódica mostrada en la
Figura 2.3b.
• Determine la tension, la potencia
instantánea y la potencia media para
la bobina

Ejemplo:
• Solución: La tensión en la bobina se
calcula a partir de la expresion v(t) =
L(di/dt) y se muestra en la Figura 2.3c.
• La tensión media en la bobina es cero,
como se puede deducir estudiando la
Figura 2.3c.
• La potencia instantánea en la bobina se
determina a partir de la expresión p(t) =
v(t)i(t) y se muestra en la Figura 2.3d.
Cuando p{t) es positiva, la bobina
absorbe potencia y cuando p(t) es
negativa, la bobina suministra energía.
La potencia media de la bobina es cero.

RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
• Las bobinas y los condensadores necesitan
ser energizados y des-energizados en
diversas aplicaciones de la electrónica de
potencia. Por ejemplo, un solenoide inyector
de combustible en un automóvil es
energizado durante un intervalo de tiempo a
través de un transistor. La energía se
acumula en la inductancia del solenoide
cuando se establece la corriente. El circuito
debe diseñarse de modo que se libere la
energía acumulada en la bobina evitando
dañar el transistor cuando este este
desactivado. El rendimiento del circuito
puede mejorarse si la energía acumulada se
transfiere a la carga o al generador, en lugar
de dejar que se disipe en la resistencia del
circuito.

RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
• La Figura muestra una bobina a la que se
energiza activando un transistor. Se supone
que la resistencia asociada a la bobina es
despreciable y que el transistor y el diodo son
ideales. El camino que pasa por el diodo y la
resistencia proporciona un medio para abrir
el conmutador y liberar la energía
almacenada en la bobina cuando el transistor
se desactiva. Sin el camino proporcionado
por el diodo y la resistencia, el transistor
podría ser destruido al desactivarse, porque
una rápida disminución de la corriente de la
bobina podría dar lugar a tensiones
excesivamente altas en la bobina y el
transistor.
• Suponga que el transistor se activa en t = 0 y
se desactiva en t = t1. El circuito se analiza,
primero, con el transistor activado y,
después, con el transistor desactivado.

TRANSISTOR EN CONDUCCIÓN: O < t < t1

TRANSISTOR EN CORTE: t1 < t < T

TRANSISTORES EN CONDUCCIÓN: 0 < t < t1

TRANSISTORES EN CORTE: t1 < t < T

TAREA:
• El circuito de la Figura 2.4 tiene Vcc = 90 V, L = 200 mH, R = 20
Ohms t1 = 10 ms y T = 100 ms.
Determine:
(a) La corriente de pico y la energía de pico acumulada en la
bobina
(b) la potencia media absorbida por la resistencia
(c) la potencia media y de pico suministradas por la fuente

VALOR EFICAZ O VALOR
CUADRÁTICO MEDIO

VALOR EFICAZ O VALOR CUADRÁTICO MEDIO

POTENCIA APARENTE Y FACTOR
DE POTENCIA

PENALIZACIÓN DEL BAJO FACTOR DE
POTENCIA
MAYOR CAPACIDAD EN
LOS GENERADORES
CONDUCTORES MAS
GRUESOS
MAYORES PÉRDIDAS POR
CALOR EN
CONDUCTORES (EFECTO
JOULE)

Ejercicio de corrección del factor de potencia

Ejercicio en clases de corrección del factor de
potencia
Una industria láctea necesita corregir el factor de potencia con el objeto de
evitar el deterioro de sus instalaciones y evitar multas ante la empresa eléctrica,
los datos actuales de la instalación son:
Voltaje 220 V, 60 Hz
Potencia activa de 2500 W
Factor de potencia de 0,75 y corriente en atraso.
Se requiere calcular el banco de capacitores para corregir el factor de potencia
a 0,90.
Subir el ejercicio según se indica en el aula virtual. Preguntas y/o dudas hacerlas
mediante el chat del aula virtual.

TAREA
• CONSULTA SOBRE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
• PRUEBA SOBRE LA CONSULTA VIERNES 03-04-20

UNIDAD 3
• Conocer las características básicas de los conversores estáticos

CONVERSORES ESTÁTICOS

CONVERSORES ESTÁTICOS
AC/DC
DC/AC
DC/DC
AC/AC

AC/DC - RECTIFICADORES
• Un rectificador convierte corriente alterna en corriente continua. La
finalidad de un rectificador puede ser generar una salida continua
pura o proporcionar una onda de tension o corriente que tenga una
determinada componente continua.
• En la practica, el rectificador de media onda se utiliza principalmente
en aplicaciones de baja potencia, ya que la corriente media de la red
de suministro no será cero y una corriente media distinta de cero
puede causar problemas en el funcionamiento de los
transformadores.

AC/DC – RECTIFICADORES – MEDIA ONDA
• CARGA RESISTIVA:
• En la Figura a se muestra un rectificador de media onda con una
carga resistiva. El generador es de alterna y el objetivo es crear una
tensión de carga que tenga una componente de continua no nula.

AC/DC – RECTIFICADORES MEDIA ONDA
• CARGA RESISTIVA:
• Observe que las unidades en el eje horizontal están expresadas en
términos de ángulo (wt). Esta representación resulta útil porque los
valores son independientes de la frecuencia. La componente
continua, Vo, de la tensión de salida es el valor medio de una
sinusoide rectificada de media onda:

• CARGA RESISTIVA

AC/DC – RECTIFICADORES EFECTO DEL DIODO
NO IDEAL
• Hasta ahora, hemos supuesto que el diodo era ideal. Para un diodo
real, la caída de tensión en el diodo causará que la corriente y la
tensión de la carga se reduzcan, aunque no de forma apreciable si Vm
es alta. Para circuitos con tensiones mucho mas altas que las caídas
típicas en un diodo, el modelo de diodo mejorado puede tener solo
efectos de segundo orden en la corriente y la tensión de carga.
• QUE PASA CON LOS DIODOS DE PROPÓSITO GENERAL A FRECUENCIAS
SUPERIORES DE 10MHz???

• EJEMPLO CARGA RESISTIVA:

• CARGA RESISTIVA – INDUCTIVA:

• CARGA RESISTIVA – INDUCTIVA:
La respuesta forzada para este circuito es la corriente existente después de que la respuesta natural haya decaído a cero.
En este caso, la respuesta forzada es la corriente sinusoidal de régimen permanente que existiría en el circuito si el diodo
no estuviera presente. Esta corriente de régimen permanente puede obtenerse mediante un análisis de fasores, que
da como resultado

• CARGA RESISTIVA – CAPACITIVA:
Una aplicación común de los circuitos rectificadores es convertir
una tensión alterna de entrada en una tensión continua de salida. El
rectificador de media onda de la Figura 3.11a tiene una carga R-C
en paralelo. La finalidad del condensador es reducir la variación de
la tensión de salida, haciéndola mas parecida a la corriente
continua. La resistencia puede representar una carga externa y el
condensador puede ser un filtro que forme parte del circuito
rectificador.
Suponiendo que, inicialmente, el condensador esta descargado y
que se proporciona energía al circuito en wt = 0 , el diodo se
polariza en directa cuando el generador produce una señal
positiva. Con el diodo en conducción, la tensión de salida es igual
a la tensión del generador y el condensador se carga. El
condensador se carga a Vm cuando la tensión de entrada alcanza
su pico positivo en wt = n/2.

• CARGA RESISTIVA – CAPACITIVA:

RECTIFICADORES NO CONTROLADOS – ONDA
COMPLETA

CONVERSORES DC-DC
• Objetivo
• Conocer el funcionamiento básico de conversores DC-DC
• Conocer las diferentes topologías de convertidores DC-DC
• Determinar las ecuaciones características de los conversores DC-DC

CONVERSORES DC-DC - INTRODUCCIÓN
Los convertidores de CC-CC se usan extensamente en sistemas de suministro de energía CC regulados
de modo de conmutación y en aplicaciones de accionamientos motrices. Como se muestra en la figura, la
entrada a estos convertidores es a menudo un voltaje de CC no regulado que se obtiene mediante la
rectificación del voltaje de línea, y por tanto fluctuará debido a los cambios en la magnitud del voltaje de
línea. Los convertidores de modo de conmutación de CC a CC se usan para convertir la entrada de CC no
regulada en una salida de CC controlada en el nivel de voltaje deseado. Si uno se adelanta a la aplicación
de estos convertidores, se descubre que con frecuencia se usan con un transformador de aislamiento
eléctrico en los sistemas de suministro de energía CC regulados de modo de conmutación, y casi siempre
sin transformador de aislamiento en caso de accionamientos motrices de CC. Por ende, a fin de discutir
estos circuitos en forma genérica, en este capítulo sólo se considerarán los convertidores no aislados, pues
el aislamiento eléctrico es una modificación adicional.
En este capítulo se verán los siguientes convertidores de CC-CC:
1. Convertidor reductor (buck).
2. Convertidor elevador (boost).
3. Convertidor reductor/elevador (buck-boost).
4. Convertidor Cúk.
5. Convertidor de puente completo.

CONVERSORES DC-DC - INTRODUCCIÓN

CONVERSORES DC-DC – REDUCTOR TIPO BUCK

• Variación de corriente interruptor cerrado

• Variación de corriente interruptor abierto

• Ecuación de conversor reductor

• Corrientes mínimas y máximas de la bobina

• Rizado de la tensión de salida

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
La mayoría de los convertidores reductores están diseñados para funcionamiento con corriente permanente. La
Ecuación 6.13 proporciona la relación que debe existir entre la frecuencia de conmutación y la bobina para operar en
modo de corriente permanente, y el rizado de salida viene descrito por la Ecuación 6.16. Observe que, al aumentar la
frecuencia de conmutación, se reduce el tamaño mínimo necesario de la bobina para producir corriente permanente y el
tamaño mínimo del condensador para limitar el rizado de salida. Por tanto, las frecuencias de conmutación altas
permiten reducir el tamaño de la bobina y del condensador.
La desventaja que presentan las altas frecuencias de conmutación es un aumento de la perdida de potencia en los
interruptores.
Al aumentar la perdida de potencia en los conmutadores disminuye la eficiencia del convertidor, y será necesario
utilizar un disipador de calor de mayor tamaño para el transistor que funciona como interruptor, lo que compensa la
ventaja de reducir el tamaño de la bobina y el condensador. Las frecuencias típicas de conmutación varían en el rango
comprendido entre 20 kHz y 50 kHz, aunque también se utilizan frecuencias de cientos de kilohercios. A medida que
mejoren los dispositivos interruptores aumentaran las frecuencias de conmutación.
Los valores nominales del hilo de la bobina deben poder tolerar la corriente eficaz, y el núcleo no deberá saturarse para
la corriente de pico de la bobina. Debe seleccionarse un condensador para limitar el rizado de la salida en función de
las especificaciones de diseño, de manera que soporte la tensión de pico de salida y conduzca la corriente eficaz
necesaria. El interruptor y el diodo deben soportar la tensión máxima cuando estén desactivados y la corriente máxima
cuando estén activados. No deben superarse los valores nominales de temperatura, por lo que posiblemente será
necesario utilizar un disipador de calor.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

CONVERSORES DC-DC – ELEVADOR TIPO
BOOST

CONVERSORES DC-DC – ELEVADOR REDUCTOR
BUCK - BOOST
• Otro convertidor básico en modo conmutado es el convertidor reductor-elevador, que se muestra en la Figura
La salida del convertidor reductor-elevador puede ser mayor o menor que la tension de entrada.

BUCK - BOOST

BUCK - BOOST
• Relaciones entre la tensión y la corriente
Se realizan las siguientes suposiciones acerca del modo de operación del convertidor:
1. El circuito opera en régimen permanente.
2. La corriente en la bobina es permanente.
3. El condensador es lo suficientemente grande como para suponer una tensión de salida constante.
4. El interruptor esta cerrado un tiempo DT y esta abierto el resto del tiempo, (1 - D)T.
5. Los componentes son ideales.

BUCK - BOOST
• Análisis con el interruptor cerrado. Cuando el interruptor esta cerrado, la tensión en la bobina es:
• El ritmo de variación de la corriente en la bobina es una constante, por lo que la corriente en la misma
aumenta linealmente. Podemos expresar la ecuación anterior de la siguiente manera

BUCK - BOOST
• Calculamos la variación de la corriente del inductor con el interruptor cerrado,

CONVERSORES DC-DC – ELEVADOR REDUCTOR BUCK -
BOOST
Análisis con el interruptor abierto. Cuando
el interruptor esta abierto, la corriente en la
bobina no puede variar instantáneamente, por lo
que el diodo estará polarizado en directa y pasara
corriente por la resistencia y el condensador.
Cuando se da esta condición, la tensión en la
bobina es

BUCK - BOOST
• El ritmo de variacion de la corriente en la bobina es de nuevo constante, y la variación de la corriente es
• Resolviendo para obtener la variación de la corriente del inductor

BUCK - BOOST
• Cuando el circuito funciona en régimen permanente, la variación neta de la corriente en la bobina debe ser
nula en un periodo. Utilizando las Ecuaciones de la variación de la corriente cuando el interruptor está abierto
y cerrado
• Resolviendo para obtener Vo
𝑉𝑜 =
𝑉𝑠 𝐷
1 − 𝐷

BUCK - BOOST
• La tensión media en la bobina es cero cuando el convertidor opera en régimen permanente, por lo que

BUCK - BOOST
• Corrientes máxima y mínima

BUCK - BOOST
• La corriente en la bobina debe ser positiva para tener corriente permanente. Igualaremos Imin a cero para
determinar el limite entre la corriente permanente y la corriente discontinua,

BUCK - BOOST
• Rizado de la tensión de salida
• El rizado de la tensión de salida del convertidor reductor-elevador se calcula a partir de la forma de onda de la
corriente en el condensador

UNIDAD 5 – Enfriadores y disipadores de
calor
• Debido a las conmutaciones en altas frecuencia, dentro de los
dispositivos electrónicos se genera calor.
• De ahí la importancia de transferir de calor a un medio mas frío y
permitir que el dispositivo electrónico trabaje el rango especificado
en su construcción.

Enfriadores y disipadores de calor
• La transferencia de calor puede
realizarse por:
• Conducción
• Convección
• Radiación
En aplicaciones industriales es común
utilizar el enfriamiento por convección

• El calor debe fluir lejos del
dispositivo hacia su carcaza y de
ahí hacia el disipador de calor en
el medio enfriador

• El área de contacto entre el
dispositivo y el disipador de
calor es extremadamente
importante para minimizar
la resistencia térmica entre
la carcaza y el disipador.

• ACCIONES A TOMAR:
• Debe limitarse la potencia disipada
en el dispositivo (pérdidas):
• Usar dispositivos con menor caída
en conducción.
• Limitar la corriente máxima por el
dispositivo.
• Usar técnicas que minimicen las
pérdidas en conmutación.
• O bien facilitar la evacuación del
calor generado hacia el medio
ambiente (supuesto como un
sumidero de calor infinito)
empleando:

Transferencia de calor - Convención

Transferencia de calor - Radiación

Transferencia de calor - Conducción

Modelo térmico estático
• Si PA es la pérdida de potencia
promedio del dispositivo
• TJ, temperatura de unión de un
dispositivo
• TJ=PA(RJC+RCS+RSA) + TA
RJC=Resistencia térmica de la unión a la
carcaza, °C/W
RCS= Resistencia térmica de la carcaza
al disipador, °C/W
RSA= Resistencia térmica del disipador
al ambiente, °C/W
TA= temperatura ambiente °C
RJC y RCS, especificados por el
fabricante
• Estos cálculos no son exactos, debido a
que las resistencias térmicas varían con:
• La Temperatura.
• Contacto térmico entre cápsula y radiador
(Montaje).
• Dispersiones de fabricación.
• Efectos transitorios.

Circuitos de apoyo
• Con el fin de limitar dv/dt de las
especificaciones máximas permisibles se
suele conectar circuitos de apoyo RC a
través de un dispositivo semiconductor,
• El circuito de apoyo puede estar o no
estar polarizado.
• Un circuito de apoyo polarizado directo es
adecuado cuando un tiristor o transistor
está conectado con un diodo antiparalelo
como se muestra en la figura
• R limita el dv/dt en directo
• R1 limita la corriente de descarga del
capacitor cuando el dispositivo está activo

Circuitos de apoyo
• Un circuito de apoyo polarizado
en inversa que limita dv/dt se
muestra en la figura
• R1 limita la corriente de carga
del capacitor.
• El capacitor no se descarga a
través del dispositivo por lo que
reduce las pérdidas en el mismo.

Circuitos de apoyo
• Cuando se conecta un
dispositivo en paralelo inverso,
el circuito de apoyo debe ser
eficiente en ambas direcciones.
• En la figura se muestra un
circuito de apoyo no polarizado.

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