Scr Y Optoacopladore1.docx

SCR Y OPTOACOPLADORES P. A. Bonilla [email protected] 1Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Ala Norte segundo piso, Cali Colombia

Resumen- En el presente informe se podrá encontrar dos de tantos dispositivos utilizados en aplicaciones que requieren de gran potencia como lo son el SCR y el OPTOACOPLADOR. El scr es un rectificador de estado sólido NPNP cuyo voltaje de transmisión conductiva se puede controlar mediante el valor de la compuerta. Por su parte el optoacoplador es un componente electrónico que se usa como transmisor y receptor óptico. Además se expondrá a grandes rasgos sus principales características y su funcionamiento básico. Palabras claves: scr, optoacoplador, voltaje.

I.

INTRODUCCIÓN

El optoacoplador es un dispositivo que funciona como un interruptor accionado por un diodo LED que satura un componente optoelectrónico normalmente un fototransistor o un fototriac. Se combinan en este dispositivo semiconductor las cualidades de un fotoemisor y un fotoreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Normalmente estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado tipo DIP y se usan para aislar dispositivos muy sensibles. A continuación se mostrará el funcionamiento de cada uno de estos dos dispositivos, su estructura y a grandes rasgos algunas de sus aplicaciones:

II.

ANÁLISIS Y RESULTADOS:

La palabra tiristor viene del griego y significa “puerta”, en el sentido de una puerta que se abre y deja pasar algo. Uno de los tiristores más importante es el SCR (silicon controlled rectifier), este es un dispositivo que está constituido internamente por semiconductores con tres terminales compuestas por cuatro capas de silicio dopadas alternativamente positiva y negativamente. Este dispositivo revolucionaría los circuitos de conmutación telefónicos porque reemplazaría los interruptores mecánicos utilizados por la época.

El SCR posee tres conexiones ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente a través del ánodo y el cátodo, básicamente funciona como un diodo rectificador controlado por gate, permitiendo circulación de corriente en una sola dirección. Una diferencia destacable con respecto al diodo convencional, es que no funciona solo polarizando la región entre el ánodo y el cátodo (haciendo más positivo el ánodo), sino que además hay que asegurar una tensión en la puerta del SCR para que se inicie la conducción.

Su antecesor fue un tubo de gas llamado tiratrón que tenía capacidades electrónicas similares a los tiristores, control de baja tensión para la conmutación de una corriente grande. El SCR fue creado por William Schockley en 1950 aunque fue defendido y desarrollado por los laboratorios Bell en 1956 [1]. La idea maduro y finalmente se construyó en 1956 por ingenieros de General Electric liderados por Gordon Hall. El optoacoplador es reemplazo perfecto para dejar a un lado el relé o transformador en aplicaciones digitales donde la velocidad de transferencia y conservación de las forma debe ser tan idéntica como sea posible. El optoacoplador fue la solución en aplicaciones que requerían cambios de tensión entre circuitos entre lazados donde se quería aislación de tipo de ruidos en la transmisión de datos o espacios industriales donde se pudiese controlar con un impulso lógico de baja tensión una carga con elevados consumo de corriente alterna[2].

Para entender el funcionamiento de este dispositivo se puede hacer una analogía con un circuito llamado candado o cerrojo formado por dos transistores bipolares y que funciona de forma muy similar al SCR.

Fig.1 Candado a base de transistores [Imagen]. Adaptado de “Electrónica general” (p.342), por Pablo Alcalde San Miguel 2012. Ediciones Paraninfo S.A

Este circuito está conformado por dos transistores uno PNP y otro NPN. El emisor de 𝑇1 se conecta directamente

con la base de 𝑇2 , y a su vez su colector está conectado con la base de 𝑇1 . Si se aplica una tensión positiva a la terminal libre del transistor 𝑇2 , se polariza de tal modo que entra en conducción lo que hace que se produzca corriente por su colector y a su vez polarice el transistor 𝑇1 . Esto origina una corriente en el colector del transistor 𝑇1 , que por estar conectado a 𝑇2 provoca que conduzca más, por tanto también lo hará el mismo 𝑇1 . Este aumento en ambos transistores continúa hasta que se saturan. Si en este momento se retira la tensión de polarización de 𝑇2 , los transistores no cambian de estado de conducción ya que existe un ciclo continúo de retroalimentación de corriente. Es aquí donde se dice que el candado está cerrado. Por esta razón para cerrar el candado es suficiente con aplicar al terminal de la base de 𝑇2 un pequeño impulso de corriente de polarización directa. Para abrir el candado es suficiente con interrumpir el ciclo de alimentación; de esta manera se elimina la corriente de regeneración y los transistores en un proceso continuo de disminución de corriente entran en corte [3]. Otra forma de abrir el candado, es aplicando una tensión negativa en la base de 𝑇2 provocando que entre en la región de corte. Es por ello que este dispositivo tiene gran semejanza con un interruptor. El dispositivo antes descripto se puede integrar en un solo dispositivo encapsulado. A continuación se presenta su composición y simbología:

La curva característica para el SCR se elabora sin tener en cuenta la corriente de polarización de puerta (se traza para 𝐼𝐺 = 0 𝐴.

Fig.4 Curva característica del SCR [Imagen]. Adaptado de “Dispositivos electónicos” (p.555), por Thomas L.Floyd. 2008 Pearson Education

En la figura 4, se puede observar que el SCR necesita aplicar una tensión en directa 𝑉𝐵𝑅(𝑅) bastante elevada entre ánodo y cátodo. Una vez disparado el SCR se pone en conducción directa comportándose como interruptor cerrado, es importante recalcar que para que el SCR se mantenga en el estado de conducción es necesario que circule una corriente mínima de mantenimiento 𝐼𝐻 . También se puede observar en la curva característica para el SCR que a medida que 𝐼𝐺 se incrementa por encima de los 0 𝑉, el voltaje de ruptura 𝑉𝐵𝑅(𝐹) disminuye. ALGUNAS CARÁCTERÍTICAS NÓMINALES PARA EL SCR:

Fig.2 Simbología del SCR [Imagen]. Adaptado de “Introducción al análisis de circuitos” (p.832), por Boylestad Robert. 2011, México Pearson Education

En la hojas de tensión del SCR se especifican los valores de tensión y corriente de disparo para que el dispositivo entre en conducción, por ejemplo el tiristor 2N689A posee una tensión de disparo de ruptura directa 𝑉𝑑 de 500 𝑉. Como se puede ver en la siguiente imagen:

Fig 3. Datasheet 2N689A [Imagen]. Adaptado de http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/newjerseysemiconductor /2N681,A-2N692,A.pdf. [En línea] Consultado el 15 de mayo del 2017.

 El voltaje de ruptura en directa 𝑉𝐵𝑅(𝐹) , es el voltaje en el cual el SCR entra en la región de conducción directa, este valor es máximo cuando 𝐼𝐺 = 0 𝐴.  La corriente de retención 𝐼𝐻 , es el valor de corriente en el ánodo en el cual el SCR cambia de la región de conducción en directa a la región de bloqueo en directa.  La corriente de disparo en la compuerta 𝐼𝐺𝑇 , es el valor de corriente por el cual se puede realizar el cambio de la región de bloqueo a la de conducción.  La corriente en directa promedio 𝐼𝐹(𝑝𝑟𝑜𝑚) , es la corriente máxima en forma continua en el ánodo que el dispositivo puede soportar en el estado de conducción.  El voltaje en inversa 𝑉𝐵𝑅(𝑅) , especifica el valor de voltaje inverso del cátodo al ánodo al cual el dispositivo entra en avalancha y comienza a conducir en exceso [4]. La región de conducción en directa se presenta cuando el SCR se encuentra encendido, en la que la corriente fluye del

ánodo al cátodo gracias a la baja resistencia. Por otra parte las regiones de bloqueo en directa y en inversa corresponden a la condición de apagado del SCR en la que la corriente fluye de ánodo a cátodo y es bloqueada por el circuito abierto del SCR. Cuando el SCR se pone en conducción y aumenta su corriente directa, estas son capaces de conducir hasta algunos miles amperios, lo que los hace ideales para aplicaciones de tipo industrial (control de potencia de elementos de calefacción, iluminación, motores eléctricos, etc.) [5]. Como por ejemplo el SCR 2𝑁689𝐴 es capaz de conducir una corriente hasta de 25 𝐴 con una pequeña corriente de disparo de unos 40 𝑚𝐴. OPTOACOPLADORES: Es un dispositivo que usa un LED acoplado ópticamente a un fotodiodo o fototransistor en un solo encapsulado. De modo que cuando el LED emite luz, ilumine el fototransistor y este conduzca. Este mecanismo evita que alguna parte de un circuito se vea afectadas por voltajes o corrientes excesivos que puedan dañar los componentes. Existen dos tipos básicos de optoacopladores que son LED a foto diodo y LED a fototransistor. A continuación se presenta la vista interna de un optoacoplador:

La relación entre la corriente en el colector y la corriente en la base generada por luz es: 𝐼𝑐 = 𝛽𝐶𝐷 ∗ 𝐼𝜆 Ahora bien, el optoacoplador utiliza el fototransistor para recolectar la información luminosa suministrada por el LED infrarrojo y transportarla en una señal eléctrica en la composición de niveles que el LED emite. Cuando llega una señal de tensión a los terminales del LED este emite una señal luminosa que recibe el receptor, al recibir esta señal luminosa, crea en sus patillas una tensión eléctrica que será la tensión eléctrica de salida. Se puede hacer la analogía con un interruptor, sino le llega luz a la entrada, el dispositivo actuará como un interruptor cerrado. A continuación se presenta el esquema básico de funcionamiento:

Fig.6 Funcionamiento de un optoacoplador [Imagen]. Adaptado de www.areaelectrónica.com .[En línea] Consultado el 15 de Mayo del 2017

La mayoría de optoacopladores utilizan un encapsulado tipo DIP, que puede incluir hasta 8 pines o patillas por cada lado, en este caso habría 4 optoacopladores individuales en un solo encapsulado: Fig.5 Optoacoplador básico [Imagen]. Adaptado de “Dispositivos electónicos” (p.285), por Thomas L.Floyd. 2008 Pearson Education

Para comprender mejor el funcionamiento de un optoacoplador, primero se describirá uno de sus componentes internos, el fototransistor: Este es un dispositivo similar al BJT, excepto que la corriente de base de este es producida y contralada por luz en lugar de voltaje. El fototransistor convierte energía luminosa en una señal eléctrica. En un fototransistor la corriente en la base se produce cuando la luz choca con la región de la base semiconductora fotosensible. Se expone la unión 𝑝𝑛 colector-base a la luz incidente mediante la apertura de una lente incluida en el transistor. Cuando no hay luz incidente solo hay una pequeña corriente generada térmicamente por el emisor 𝐼𝐶𝐸𝑂 , esta corriente denominada generalmente oscura es del orden de los nA. Cuando la luz choca con la unión pn se produce una corriente 𝐼𝜆 que es directamente proporcional a la intensidad de luz. [6] Con la excepción de cómo se genera la corriente de base, el transistor actúa como un BJT normal.

Fig.7 Encapsulado de un optoacoplador [Imagen]. Adaptado de www.areaelectrónica.com. [En línea] Consultado el 15 de Mayo del 2017

En las patillas 1 y 2 se encuentra el emisor de luz, mientras en la 6 y 4 el receptor de la luz para que se active. Un factor importante en los optoacopladores es el CTR (relación de transferencia de corriente). La CTR es una indicación del grado en que una señal es acoplada eficientemente desde la entrada hasta la salida. Se expresa como la relación del cambio de corriente en el LED al cambio correspondiente de la corriente en el fototransistor o fotodiodo.

III.

CONCLUSIONES

El SCR es un dispositivo capaz de controlar grandes corrientes, por esta razón se emplea fundamentalmente en aplicaciones donde se requiera controlar grandes cantidades de energía como el control de potencia de motores, la calefacción, entre otros. La característica más destacable del SCR es que a diferencia del diodo rectificador, el SCR no conduce a través de su ánodo cátodo polarizado en directa hasta que el voltaje del ánodo iguale o excede el voltaje de transmisión conductiva en directa. Es importante recalcar, que cuando un SCR se activa la compuerta pierde el control, así que aumentar o disminuir la corriente de compuerta no afectará la corriente del ánodo [7]. Para que el SCR comience a funcionar solo basta con aplicar a la puerta un pulso y poner en directa en diodo ánodo, cátodo. Para desactivar un SCR es necesario reducir la corriente directa hasta un valor inferior a la de mantenimiento. El optoacoplador es un dispositivo de gran utilidad ya que puede acoplar una señal de entrada al circuito se salida, cuya ventaja fundamental es el asilamiento eléctrico entre ambos circuitos, dejando como único contacto entre la entrada y la salida es el haz de luz, por ello es preferiblemente disponer de una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos de miles de mega ohmios. Algunos optoacopladores utilizan fototransistores, fotodiodos, fototirisitores otros dispositivos ópticos en sus circuitos de salida. Este tipo de aislamiento suministrado por los dispositivos optoelectronicos es muy utilizado en aplicaciones de alta tensión en los que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir significativamente. Ambos dispositivos estudiados pueden ser aplicados como interruptores electrónicos, donde sus tiempos de respuesta suelen ser mucho más rápidos y precisos que los usados eléctricamente.

IV.

REFERENCIAS

[1] Christiansen, Donald; Alexander, Charles K. (2005); Standard Handbook of Electrical Engineering (5th Ed.). McGraw-Hill [2] NOTEO, Banda de conducción. [En línea]. Consultado el 15 de mayo del 2017. Disponible en http://www.neoteo.com/optoacopladores-electronica-basica/

[4] ALCALDE, Pablo San Miguel. Electrónica general. Volumen 1. Segunda edición. Ediciones paraninfo, México 2012. p. 342. [5] ALCALDE, Pablo San Miguel. Electrónica general. Volumen 1. Segunda edición. Ediciones paraninfo, México 2012. p. 343. [6] FLOYD, Thomas L. Dispositivos electrónicos. Octavo edición. PEARSON Educación, México 2008. p. 555. [7] FLOYD, Thomas L. Dispositivos electrónicos. Octavo edición. PEARSON Educación, México 2008. p. 186 [8] MALVINO, ZBAR. Principios de electrónica. Séptima edición. Alfa Omega grupo editor, México D.F 2001. p. 347