2-1 Tipos de Diodos,Conexiones

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA2-1 Tipos de diodos, conexión de diodos------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

___________________________________________________________________Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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DIODOS Y RECTIFICADORES NO CONTROLADOS

DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Los diodos semiconductores, son dispositivos de dos terminales, denominados ánodo ycátodo. Se los utiliza como interruptores, permitiendo la conducción eléctrica en unsolo sentido. Tiene aplicaciones en los convertidores de “ca” a “cc”(rectificadores),diodo de marcha libre, reguladores conmutados, inversor de carga de capacitores,transferencia de energía entre componentes, aislamientos de voltajes, retroalimentaciónde la carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada.Los diodos de potencia, básicamente son de tres tipos: De propósito gral, de altavelocidad, y de Schottky. Se los construye en silicio, de masiva aplicación comercial ycarburo de silicio, todavía con aplicaciones comerciales limitadas

En los diodos de potencia, entre otros, tres son los parámetros que influyen en mayormedida, cuando es necesario realizar su selección, para su uso en un convertidor depotencia: La máxima tensión inversa, la máxima corriente directa y el tiempo derecuperación inversa. La máxima tensión inversa esta relacionada a la tensión inversaque soporta el diodo, en determinado tiempo dentro del ciclo de conversión, si queprovoque su destrucción. La máxima corriente directa, es la corriente que circula por eldiodo, en condiciones que su valor promedio o pico, no supere la temperatura máximapermitida en su juntura. Finalmente el tiempo de recuperación inversa, esta relacionado

a la máxima frecuencia de conmutación que puede soportar un diodo en un circuitoconvertidor, limitada, por exceso de temperatura y corriente pico inverso.

Diodos semiconductores

silicio CarburoDe silicio

Diodo

Schottky

Diodo

Schottky

DiodoJBS

DiodoPIN

DiodoEpitaxial

(PIN)

Diododoble

difusión

(PIN)





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Característica tensión–corriente de los diodos

El diodo es un dispositivo de unión “pn”, con dos terminales (ánodo y cátodo), La unión“pn” se puede formar por tres métodos: Aleación, Difusión y crecimiento epitaxial. Enlos diodos de potencia se utilizan los dos últimos métodos. Cuando el Terminal deánodo esta polarizado positivamente, respecto al cátodo, se dice que esta polarizado endirecto y puede circular una gran corriente con una caída de tensión baja. El valor deesta caída de tensión dependerá del método de construcción de la juntura y de sutemperatura. Cuando al diodo se lo polariza “en inversa”, ánodo negativo, respecto alcátodo, la corriente que circula es muy baja (corriente de fuga o de perdidas) del ordende los micro o miliamperes. Si se aumenta la tensión inversa aplicada, la corriente defuga comienza a incrementarse, hasta que se llega a un voltaje de avalancha o zener, quepuede destruir la unión pn.La característica tensión .corriente, se puede expresar por medio de la ecuación de“Schockley”:

ID = IS.( eVD/ n.VT -1)

VD = tensión aplicada en los terminales del diodoID = corriente que circula por el diodoIS = corriente inversa, de fuga o perdida, del orden de 10-6 a 10-15 Ampern = constante empírica, llamada”coeficiente de emisión o factor de idealidad”, cuyo

valor varia de 1 a 2. Para diodos de Ge, su valor es 1 y para los de Si, su valor teórico es2. Para los diodos prácticos de Si, su valor esta comprendido entre 1,1 y 1,8.

P NÁnodo Cátodo Símbolo

V+ V+

i i

v

Características. V-I real

-VBR

0

Características. V-I ideal





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VT = K.T / q se le denomina “voltaje térmico” donde:

K = Cte. De Boltzman = 1,3806 x 10-23 joules / grados Kelvinq = carga del electrón = 1,6022 x 10-19 Culombios

T = temperatura absoluta en grados Kelvin ( 273 + ºC)Por ejemplo a 25ºC VT = 25.8 mv.

La característica V-I del diodo, permite distinguir tres zonas: Zona de polarización directa (para VD >0), zona de polarización inversa (para VD < 0) y zona de ruptura para (para -VD <-VBR).

Polarización directa:En esta zona, la corriente del diodo es muy pequeña, si la tensión en sus extremos nosupera un determinado valor, denominado tensión umbral (≈0,5 a 0,65 volt).Por ejemplosi en la ecuación anterior, hacemos VD = 0,1 volt, n = 1 y VT = 25.8 mv la corriente del

diodo resulta ID = 48,23 IS . De allí que para valores superiores a 0.1 volt la ecuaciónanterior se puede aproximar a:ID = IS.( eVD/ n.VT )Para valores de la tensión del diodo superiores a la tensión umbral, la corriente crecerápidamente haciendo que la caída de tensión del diodo, varié entre 0,7 a 1,2 voltiosEn conducción directa la caída de tensión del diodo varia en forma inversa con latemperatura en aproximadamente dv/dt ≈ -2,5 mv/ºC

Polarización inversa: En esta zona, la tensión del diodo es negativa VD < 0, e ID = -IS.≈ cte. La corriente

inversa que es prácticamente constante hasta casi la tensión de ruptura VBR, variaaproximadamente 7%/ºC, tanto para los diodos de Si. como Ge. Esto nos dice que lacorriente inversa se duplica con cada 10ºC de aumento de la temperatura.

Zona de ruptura: La corriente inversa IS , esta formada por los portadores minoritarios generadostérmicamente, y la corriente superficial. Con tensión inversa elevada, los portadores deesta corriente son acelerados a gran velocidad, adquiriendo suficiente energía como paraprovocar impactos ionizantes. Esto da lugar a un aumento de portadores, con un efectomultiplicador que provoca un aumento de la corriente inversa en forma casi ilimitada yque puede provocar la ruptura de la juntura, si no se toman limitaciones. Este proceso se

denomina ruptura por avalancha. La tensión inversa a la cual comienza a producirse estefenómeno, se denomina VBR. A partir de este valor, la corriente inversa crecerápidamente. La operación del diodo en la zona de ruptura no será destructiva, siemprey cuando la disipación de potencia este dentro de ciertos limites seguros, dados por elfabricante. En los diodos de potencia, para aumentar esta tensión de ruptura, se losconstruye en tres capas “n+p p+ “, y la pastilla, a los efectos de mejorar la distribucióndel potencial eléctrico en la superficie, se la construye con los bordes biselados (estosdiodos se les llama "de avalancha controlada").

n+ p p+ p+

pn+





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Característica de recuperación inversa Cuando un diodo tiene polarizacion directa, se produce una gran concentración deportadores minoritarios, a ambos lados de la juntura y en el material del cuerposemiconductor. Cuando el diodo esta con polarizacion inversa, los portadores de carga

minoritarios, se alejan de la juntura, dejando la denominada “región de la carga espacialno neutralizada” (iones de la estructura cristalina de los átomos). Por lo tanto, cuando undiodo esta en conducción directa y su corriente se reduce a cero ( debido alcomportamiento del circuito externo o a la aplicación de un voltaje externo), el diodocontinua conduciendo, debido a los portadores almacenados en la juntura “pn” y elmaterial. Semiconductor, requiriéndose un tiempo para que estos se recombinen concargas opuestas y desaparezcan. Este tiempo se conoce como “tiempo de recuperacióninversa del diodo, trr”.

Las graficas muestran la variación de la corriente del diodo para dos diferentes tipos de juntura, donde se definen las siguientes corrientes y tiempos:

trr : Tiempo de recuperación inversa. Se mide desde el momento que la corriente pasapor cero hasta el 25% de la corriente inversa máxima “Irr”. Su valor, esta dado por dostiempos parciales trr = ta + tb donde:

ta: Esta originado por el almacenamiento de cargas en la zona de la juntura.

tb: Es el tiempo de almacenamiento en el cuerpo del semiconductor

tb/ta: se le denomina factor de suavidad.

Vamos a relacionar a continuación la relación entre estos parámetros.Si tenemos en cuenta la variación de la corriente durante el tiempo “ta”, podemosexpresar como:

di/dt= Irr / ta despejando la corriente resulta:

Irr = ta. di/dt ≈ trr. di/dt (1) si hacemos trr = ta+tb ≈ ta

trr

tat1 t2

IF

0,25 Irr

Irr tb

t

IF

trr

ta

tb

t

Recuperación suave Recuperación abrupta





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La carga de recuperación inversa “Qrr” es la cantidad de portadores de carga que fluye através del diodo, en dirección inversa, debido a un cambio de la conducción directa a lacondición de bloqueo inverso. Este valor, queda determinado por el área encerrada porla trayectoria de la corriente de recuperación inversa:

t2

Qrr = ∫ i(t) dt ≈ área encerrada de un triangulo de base “trr” y altura Irr :t1

Qrr ≈ 1/2 . Irr . trr despejando “Irr” nos queda.

Irr = 2. (Qrr/trr) (2)

Igualando (1) y (2)

2. (Qrr/trr) =trr. di/dt despejando el tiempo “trr” tenemos:____________

trr = √ (2.Qrr) / di/dt Si a este valor lo reemplazamos en la expresión (1) tenemos:__________

Irr = √ 2.Qrr. di/dt

El tiempo de recuperación inversa “trr” y la corriente de recuperación inversa depico”Irr “ dependen de la carga almacenada “Qrr” y de la variación de la corrienteinversa.. Por otro lado, la carga almacenada, depende del tipo de diodo y de la corrientedirecta “IF” en el momento previo a la conmutación.Los fabricantes de diodos, suministran curvas que muestran la dependencia de “Qrr” y“trr” con di/dt y la corriente directa “IF”.

La energía puesta en juego en la recuperación vale:W = Qrr.Vr, donde Vr es la tensión inversa después de la recuperación

En régimen periódico de conmutación la potencia consumida vale:

P = W / T = Qrr . Vr . f

Esta potencia es importante tenerla en cuenta a los efectos de su disipación.

Tiempo de recuperación directa de los diodos

Si un diodo esta polarizado inversamente, fluye una corriente de fuga debido a losportadores minoritarios. Al polarizar directamente, el diodo conduce la corriente directa.Este cambio, requiere un tiempo para producirlo que se denomina “tiempo derecuperación directa”. Es el tiempo necesario para que todos los portadoresmayoritarios de toda la juntura puedan contribuir al flujo de la corriente. Si la velocidadde crecimiento de la corriente es muy elevada, ocurre que la corriente directa seconcentra en una zona pequeña de la superficie de la juntura; el diodo puede fallar porun exceso de temperatura puntual. El tiempo de recuperación directa de un diodo, limitala velocidad de crecimiento y con ello la velocidad de conmutación. Los fabricantes dediodos, suministran los valores limites mediante la expresión “di/dt”.





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Efectos del tiempo de recuperación directa e inversa

A los efectos de interpretar los efectos que producen los tiempos de recuperación directae inversa, y las medidas preventivas que es necesario tomar, analizaremos un circuitode conmutación con diodos sencillo, como se muestra en el siguiente circuito:

Si cerramos el interruptor “P” en t = 0, se establece una corriente a través del inductor“L”y resistencia “R” que tomara el valor final, (al finalizar el transitorio) de:IL = ve / R. . Con la polaridad de la tensión de entrada, el diodo Dv, esta polarizadoinversamente. Si abrimos “P” en el tiempo “t1”, al disminuir la corriente “ IL”, se induceuna tensión en la inductancia “L” , para evitar que disminuya, y esta tensión inducidapolariza ahora al diodo Dv directamente, lo que hace que fluya la corriente “i2”.

Mientras conduzca Dv, la tensión sobre la carga “RL” queda limitada a la caída detensión del diodo y con valor negativo (≈0,7 volt).

IL

0

I1

0

I2

t1 t2

t

t

t

Corriente de picoInverso de Dv porrecuperación. inversa

Irr





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Si ahora en el tiempo “t2” cerramos el interruptor “P”, el diodo Dv cambia su polaridady pasa de la conducción directa a la inversa, produciéndose durante esa transición , elfenómeno de recuperación inversa, lo que hace que Dv este prácticamente encortocicuito, dado que no tiene prácticamente limitación de corriente. En esta situación,la velocidad de crecimiento de la corriente “i1” (dv1/dt) y la corriente del diodo “D1”,

como asi también la velocidad de decrecimiento de la corriente de Vd., serian muyelevados, tendiendo a infinito. Esto hace que la corriente de recuperación inversa deldiodo “Dv” sea muy elevada, dado que esta dado por la expresión deducida :

_________Irr = √ 2.Qrr.di/dtCon estas corrientes elevadas, los diodos “D1” y “Dv” podrían dañarse si “di1 /dt” del

circuito, supera el tiempo de recuperación directa del diodo D1 y la máxima Irr de Dv.Una solución es incorporar una inductancia “Le” limitante, en serie con el diodo D1

0

Con esta inductancia incorporada, la elevación de la corriente del diodo D1y reducciónde Dv, quedaría limitada a la de la inductancia, cuyo valor se podría determinar,

IL

0

I1

0

I2

t1 t2

t

t

t

Corriente de picoInverso de Dv porRecup. inversa

Irr

IL=Ve/R





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fácilmente, considerando que en el tiempo “t2” el diodo Dv esta en corto. Para estasituación vale: di/dt = ve / Le.De esta forma la corriente de recuperación inversa de Dv quedaría limitada a :

Irr = trr.di/dt = trr.ve/Le

La corriente pico del inductor Le vale:

Ip = IL + Irr = IL + trr.ve/Le

Cuando el diodo Dv se recupera (Irr≈ 0), la corriente “Ip” para a valer rápidamente “IL“.Como la corriente de la carga no puede pasar rápidamente de Ip a = IL , entonces se

induce una sobre tensión alta , debido a la energía almacenada que podría dañar a “Dv”.El excedente de energía almacenada por “Le” (durante el tiempo de recuperación) vale:

Wr = 1/2. [(IL + Irr)2 - IL2] = 1/2. [(IL + ve.trr/Le)2 - IL

2]

Una solucion para descargar este excedente de energía, es agregar un capacitor C1 enparalelo con Dv para que pueda absorber esa energía y evitar la sobre tensión. El valordel capacitor se puede determinar como:

Wr = 1/2. C1. Vc2 despejando C1 resulta:C1 = 2.Wr / Vc2 El valor de “Vc” corresponde a la máxima tensión inversa repetitiva que puede soportarel diodo Dv (VRWM) que es un dato dado por el fabricante. La resistencia en serie conC1, se coloca para disipar esta energía y evitar un tiempo prolongado del transitorio

(amortiguamiento).Problema:El tiempo de recuperación inversa de un diodo es trr = 3,5 µseg. Y la velocidad dereducción de la corriente del diodo, cuando esta conmutando de conducción a bloqueo,es de di/dt = 27 Amper/ µseg. Determinar:a) La carga de almacenamiento Qrr.b) La corriente inversa de pico Irr.

RESUMEN DE USO Y CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS DIODOS

1) Diodos estándar o de uso gral:

Se los utiliza en rectificadores y convertidores de frecuencia hasta 1 Khz., incluyendolos conmutados por línea (50 o 60 Hz). Se fabrican por proceso de difusión. Existendiodos para soldaduras eléctricas fabricados por aleación hasta 300 amperes y 1000 volt(son económicos).Corrientes : 1 hasta 4500 amperesTensiones inversas: 50 hasta 6000 volt.trr tipico: 25 µseg.

2) Diodos de recuperación rápida:Se los utiliza en convertidores de CC a CC y CC a CA, donde la velocidad de

recuperación inversa es critica. Se fabrican por difusión y técnica epitaxial. Por encima

de los 400 volt, se fabrican por difusión, donde el tiempo de recuperación, escontrolada, mediante la difusión de oro o platino. Por debajo de 400volt , los diodos





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epitaxiales, tienen una base angosta lo que le permite tiempos de recuperación inversadel orden de los 50 nseg.Frecuencias de funcionamiento: hasta 10 KHz.Corrientes : 1 hasta 1000 amperes.Tensiones inversas: 50 a 3000 volt.

trr : ≈ 0,1 a 5 µseg.

3) Diodos Schottky: Son diodos donde se logra la barrera de potencial con un contacto metal-

semiconductor. Se logra, depositando sobre una capa epitaxial “n” de silicio, una capade metal. La acción rectificadora se logra por la acción de los portadores mayoritarios ycomo resultado no tienen portadores en exceso para recombinar. El efecto derecuperación se debe solamente a la capacitancía de la unión. La caída de tensióndirecta es mas baja que los diodos de silicio “pn” (≈0,2 a 0,3 volt). La cargaalmacenada, depende de la capacitancia y no depende de la “di/dt”. La corriente inversao de fuga, es mayor que la de un diodo de Silicio “pn” y por lo tanto el voltaje inverso

máximo, esta limitado a 100 volt. Las corrientes varían de 1 a 300 amperes. Son idealespara fuentes de alimentación de alta corriente y bajo voltaje. Tienen buena eficiencia osea pocas pérdidas en conducción directa.Frecuencias de funcionamiento: 20 KHz.Corrientes: 1 a 300 amperes.Tensiones inversas: 100 volttrr : ≈ 1nseg.

4) Diodos de carburo de silicio (SiC): El SiC. Es un nuevo material que se esta utilizando en la electronica de potencia. Sus

propiedades mejoran a las de silicio (Si.) y de Arseniuro de galio (GaSi). Tenemos tresvariantes para este tipo de diodos: diodos Schottky, diodos JBS, diodos PIN. Los diodosSchottky fabricados en SiC, tienen pérdidas de potencia muy bajas, gran fiabilidad, notienen tiempo de recuperación inversa lo cual los hace ultrarrápidos en la conmutación yla temperatura, no influye sobre la misma.

5) Otros diodos que se utilizaron como rectificadores de potencia:

a) Diodos de germanio: Soportan temperatura de juntura hasta 100ºC, lo que limita su

corriente directa a un valor máximo de 25 amperes. Soportan una tensión inversa

máxima de 400volt y tienen una caída de tensión directa de aprox. 0,4 a 0,5volt.

b) Diodos de Selenio: Soportan una temperatura máxima de juntura de 120ºC. Tiene

menor capacidad de corriente que los diodos de Ge. Soportan una tensión inversamáxima de 60 volt. Tienen poca sensibilidad a los transitorios, por lo que se lo ha usadoen aplicaciones como protector contra sobre tensiones. Es un dispositivo que sufreenvejecimiento con el uso.

c) Diodos de oxido de cobre: Soporta temperaturas máximas de 70ºC; Su capacidad para

la tensión inversa estaba alrededor de los 6 volt. Solamente se lo utilizaba enaplicaciones de baja tensión. Es el mas antiguo rectificador solidó.





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d) Diodos de válvula de vacío: Los 1º convertidores (rectificadores Ca a CC) se construyeron con estas válvulas.Soportan altas corrientes y altas tensiones inversas. Necesitan para su funcionamiento,un circuito auxiliar para calentamiento del cátodo para que pueda emitir electrones y

conduzca la corriente hacia el ánodo.

ESPECIFICACIONES ELECTRICAS Y TERMICAS SUMINISTRADAS PORLOS FABRICANTES DE DIODOS SEMICONDUCTORES

Tensiones de bloqueo inversa

VR: Máxima tensión inversa aplicable en corriente continua

VRWM : Máxima tensión de pico inversa excluyendo transitorios (onda senoidal 180º)

VRRM : Máxima tensión de pico inversa incluyendo transitorios repetitiva (ondasenoidal 180º).VRSM: Máxima tensión transitoria de pico inversa de modo no repetitivo.

Caídas de tensión del diodo

VFM: Caída de tensión de pico directa para ½ onda senoidal, frecuencia y corriente picoespecificada.VF : Caída de tensión promedio para la potencia promedio especificada.

Corrientes directasIF(AV) : Corriente promedio máxima para 180º de conducción senoidal (conespecificación de temperatura de carcaza o juntura).IF(RMS) : Corriente eficaz máxima para 180º de conducción senoidal (con especificaciónde temperatura de carcaza o juntura).IFSM : Sobrecorriente transitoria máxima no repetitiva (con especificaciones)

IFRM(rep) : Corriente de pico máximo repetitiva.

Corrientes inversas

IRM : Corriente de pico inversa

IR(AV) : Corriente inversa promedio.

Características de cortocircuito

i2.t [KA2 /seg.] : Energía de ruptura del dispositivo con especif. de tiempo de ½ ciclo (8,3 o 10 mseg), temperatura y tensión VRRM.

_ _i2.√t [KA2 / √seg.] : Valor que se utiliza para calcular i2.t para 0< tx > 8,3 o 10 mseg

_ _i2.t = i2.√t . i2.√tX





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Potencias de pérdidas

PRRM : Potencia disipada máxima de pico inverso

PRSM: Potencia máxima de pico inverso no repetitivo

P(AV) : Potencia promedio disipada por la corriente media y eficaz para onda senoidal180º de conducción con frecuencia especificadaPC : Potencia promedio disipada durante la conmutación con especif. De frecuencia

Características de conmutación

trr : Tiempo de recuperación inversa = (ta+tb)

S : Factor de suavidad = tb/ta

IRM : Corriente inversa máxima de recuperación (Irr )

QRR : Carga almacenada o carga de recuperación inversa

Resistencia del diodo

rf : Resistencia dinámica del diodo con especif de corriente directa.

Resistencia al paso del calor disipado

RthJC

:Resistencia térmica juntura – carcaza [ºC/W] (valores promedio)

RthCD : Resistencia térmica carcaza – disipador “ “

RthD : Resistencia térmica disipador “ “

RthJ-mb : Resistencia térmica juntura- medio ambiente (sin disipador) “ “

Zth : Impedancia térmica transitoria del diodo [ºC/W]

Temperaturas

Tj : Temperatura máxima de juntura.

Tc : Temperatura de carcaza

Ta : Temperatura ambiente

Tstg : Temperatura de almacenamiento

Características mecánicas

Fuerza para ajustar a la base de montaje; Peso ; Tipo de encapsulado.





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AGRUPACION DE DIODOS SEMICONDUCTORES

Conexión paralelo de diodos

Cuando la corriente promedio, por cada rama de un rectificador, supera a la máxima

promedio de un solo diodo, de los disponibles en el mercado, resulta conveniente laconexión en paralelo de varios diodos. En este caso es necesario asegurar una adecuadadistribución de las corrientes. Tomemos el caso de la conexión de dos diodos enparalelo, como se muestra la figura:

Debido a las diferentes características tensión-corriente de los diodos, las corrientescirculantes en cada uno de ellos, serán diferentes. De allí que si “iT/2 es la máximacorriente de cada diodo, el D1 estará soportando una corriente superior a ese valor y D2un valor menor. En estas condiciones, D1 se destruirá por exceso de temperatura y mastarde ocurrirá con D2 que tiene que asumir la corriente total. Este diferente reparto decorrientes se agrava más, con el aumento de temperatura. En el grafico se observa que lacorriente del diodo D1 aumenta y la de D2 disminuye.Existen varios métodos para obtener una ecualización de las características V—I de losdiodos, que permita conectarlos en paralelo, de tal forma que no se superen las

condiciones máximas de conducción de cada uno de ellos. Estos métodos son:

D1 D2

Características directas despuésde un aumento de temperatura

i

id1’id1iT/2

id2’id2

vd’ vd

v





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Colocación de resistores de equilibrio en serie, Apareamiento de las característicasdirectas del diodo y Equilibrio de las corrientes con reactores.

1) Colocación de resistencia de equilibrio en serie

Con esta solución podemos observar que las corrientes en los diodos toman valoresbastantes similares. Este método se utiliza para diodos de pequeña capacidad, dado elconsumo de energía en los resistores. Estos últimos, eligen de tal manera que la caída de

tensión en ellos, sea del orden de la caída de tensión de los diodos. Otro inconvenientede este método, es que se incrementa la caída de tensión que produce el circuitorectificador.

2) Apareamiento de las características directas de los diodos

Este método se utiliza para el caso de diodos con alto grado de apareamiento, logrado enbase a una selección adecuada. Se realiza en esta forma, una conexión directa, usandopara ello un factor de reducción de corriente.Si suponemos que D = Im / IM es el desequilibrio de corriente, entonces si conectamos

“n” diodos en paralelo y suponiendo que (n-1) tengan el máximo desequilibrio y el

restante soporta la corriente máxima IM, entonces la corriente total de los “n” diodos lapodemos expresar como:

IM +( n-1). Im =n . I siendo “I” la corriente en el supuesto de que todos los diodos fueseniguales y “n.I” representa la corriente total de una rama del rectificador. Operandotenemos:IM +( n-1).D.IM =n . I

Operando nuevamente y considerando la relación fd = I / IM como el factor dereducción, este vale:

fd =D + (n-1).D / n

D1 D2

Características directas de lacombinación resistor +diodo

i

id1

id1’id2’id2

v

vd vd+vR





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El valor de “D” se toma como valor practico 0,85 si los diodos tienen fusiblesconectados en serie y si no lo tienen , se toma un valor de 0,8. Reemplazando resulta:

fd = (0,85 + 0,15 / n) con fusibles en serie.

fd = (0,85+ 0,2 / n) sin fusibles en serie.

En esta condición, se supone que la máxima corriente que puede soportar el diodoresulta:

I = fd . IM

Entonces la corriente total que puede circular por “n” diodos vale:

IT = n . I n . fd . IM = (n.0,85 + 0,15). IM (con fusibles en serie)

Problema:Calcular la corriente máxima tolerable por 10 diodos conectados en paralelo yfuncionando a máxima temperatura de juntura. Los diodos están protegidos por fusiblesen serie y tienen una corriente máxima promedio de IFAVmax =30 amperes.

IT = (n.0,85 + 0,15). IFAVmax = (0 . 0,8 + 0,15).30 = 259,5 amperes

3) Equilibrio de corrientes con reactores inductivos

Es el método preferido para el equilibrado de grandes corrientes, dado que se tienenmenos perdidas de potencia. El circuito trabaja de la siguiente manera: Si el diodo D1tiene menor tensión umbral, este será el primero en conducir. La corriente”i1”, produceuna tensión inducida en los bobinados L1 y L2 de manera tal que obliga a conducir aD2. Cuando cesa el periodo de conducción, “i2” disminuye en primer termino, porqueD2 tiene mayor tensión umbral; esto crea una nueva Fem., que hace que aumente elperiodo de conducción de D2 y disminuya el de D1. El resultado, es que por los diodosD1 y D2, circulen corrientes prácticamente iguales.





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El valor de la inductancia óptima se determina por la siguiente formula empírica:

L = 20.000 / w. IFRM donde “w” es la pulsación y . IFRM es la máxima corriente de picodel diodo.Las exigencias más importantes de la reactancia son elevada densidad de flujo de

saturación y baja densidad de flujo remanente, para obtener el mayor cambio total.Cuando tenemos que conectar varios diodos en paralelo, se recurre al siguiente circuito:

El circuito muestra la conexión de cuatro diodos en paralelo con reactancias deequilibrado. Cuando un diodo comienza a conducir, genera una tensión inducida en lasreactancias, que obliga al resto a conducir. Por ejemplo, si el diodo D1 es el primero enconducir (por tener menor tensión umbral), los diodos D2 y D4 comienzan a conducir a

través de T2 y T1 respectivamente. Las tensiones generadas por T3 y T4, hacen iniciarla conducción de de D3.Este sistema, es el más satisfactorio a pesar de su costo y de los transitorios que seproducen durante la conmutación.

CONEXIÓN SERIE DE DIODOS

En los equipos convertidores donde la tensiones inversas del circuito, superan lasmáximas admisibles de los diodos (VRW max.), la solución puede consistir en la conexiónen serie de dos o mas diodos. Con tal conexión, surge el problema de asegurar unadistribución suficientemente uniforma de la tensión inversa en cada uno de los diodos,

tanto en el régimen estacionario, como durante la conmutación. La aparición aunque seaen un solo de los diodos de una tensión superior a la disruptiva, motiva no solo la





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ruptura del diodo determinado, sino también de todos los restantes componentes de lacadena que se exponen al régimen de sobre tensión. El la siguiente figura muestra unacadena de diodos en serie con la probable distribución de tensión inversa, tanto en elrégimen estacionario, como en el transitorio de la conmutación

Régimen estacionario El origen de una distribución irregular en este régimen, se debe a la divergencia en lapendiente de las porciones rectilíneas, en las características V—I inversa, de cada unode los diodos conectados en la cadena. La figura muestra la distribución de la tensión

inversa para dos diodos conectados en serie, con una corriente inversa común de 5 MA:

La poca pendiente da lugar a una divergencia considerable en la magnitud de lastensiones aplicadas a cada una de los diodos, dado que a través de cada uno de ellos.circula la misma corriente inversa. La solución para este régimen, consiste en distribuiren forma más o menos uniforme la tensión inversa, colocando para ello resistencias en

paralelo con cada uno de ellos. El dibujo muestra el circuito de ecualización del régimenestacionario:

Vi -800 v -400 v

0

5 ma

-IR





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Para la determinación del valor del resistor “R” y la cantidad de diodos, se parte deconsiderar la situación mas desfavorable que se va a dar cuando solo uno de los diodosde la cadena tiene una cierta corriente inversa y el resto despreciable (ver. Circuit. rect.Fapesa o Proyectos de fuentes de alimentación Ing, Villamill).El desarrollo, nos lleva a una expresión que me da la cantidad de diodos a conectar en lacadena cuando tienen que soportar una determinada tensión inversa de la aplicación:

n ≥ 1,5.(Vi / VRWM) - 0,5

Vi : Máxima tensión inversa de trabajo impuesta por la aplicación.VRWM :Máxima tensión inversa de pico inversa que soporta cada uno de los diodosPara el cálculo del resistor se aplica la siguiente formula:

R ≤ Vpi / α.IR

Vpi = Vi / n : Máxima tensión inversa de trabajo que soporta cada diodo en condicionesde trabajo.α : Coeficiente de distribución ; valor variable entre 2 ≤ α ≤10. Para una alta

confiabilidad, se adopta α =10 , que seria el caso de diodos de gran potencia.IR : Máxima corriente inversa.La potencia disipada por los resistores vale:

PR = Vi(RMS)2 / R

El valor Vi(RMS) corresponde a la tensión eficaz inversa que soportan los diodos. Comoeste valor no es senoidal, se pueden adoptar las siguientes formulas para su cálculo:

PR = 0,25. Vi(RMS)2 / R para circuitos monofasicos de media onda y onda completa.

PR = 0,4. Vi(RMS)2 / R Para circuitos rectificadores trifásicos.

Ejemplo:Calcular la cantidad de diodos en serie a colocar para soportar una tensión inversamáxima Vi = 2000 volt, con diodos de potencia que presentan la siguientecaracterística:VRWM = 600 volt IR = 0,05 ma

Soluc. n ≥ 1,5.(Vi / VRWM) - 0,5 ≥ 1,5.(2000 / 600) - 0,5 = 4,5; adopto n=5

R ≤ Vpi / α.IR ≤ 2000 / 10.0,05 = 800 K

PR = 0,4. Vi(RMS)2 / R = 0,4. 6002 / 800. 103 = 0,18 w ; se adopta un resistor de ½ w





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Régimen transitorio En régimen transitorio, cuando los diodos conmutan del estado de conducción al debloqueo, también es posible que se produzca una irregularidad en las tensionestransitorias que soportan los diodos de la cadena, causado por las diferentes cargasacumuladas en la zona de la juntura, y a su diferente velocidad de recuperación. Esto es

motivado por la completa identidad en las dimensiones geométricas de las capas de las junturas como así también por las distintas capacidades interdiodicas y tiempo de vidade los portadores. En esta condición, los diodos que tengan menor tiempo derecuperación, bloquearan la tensión inversa. Además de absorber dicha tensión, losdiodos recuperados, prolongaran el tiempo de recuperación de los diodos más lentos alimpedir la circulación de la corriente inversa que elimina el exceso de cargaalmacenada.Para mejorar la distribución de tensiones inversa en estas condiciones, es precisodisponer capacitores en paralelo con cada diodo, como muestra el siguiente circuito:

Estos capacitores, presentan fuentes de baja impedancia que absorben el exceso decarga almacenada, con lo que reducen al mínimo el tiempo de recuperación de todos losdiodos y se evita la aparición de sobre tensiones en los diodos mas rápidos.El valor de la capacidad, se puede calcular con las siguientes formulas:

C ≥ 5.trr . n / RT

n : numero de diodos de la cadena.

RT : resistencia total en serie

trr : tiempo máximo de recuperación inversa.

También se puede aplicar la siguiente formula para calcular el valor del capacitor:

C = ( Qmax. – Omin.) / VRRM

Qmax y Qmin. : Máxima dispersión esperada en la carga almacenada en la juntura delos diodos.VRRM : Máxima tensión inversa de pico repetitivo.

Si los valores de Qmax y Qmin. No se conocen, se los puede calcular aproximadamentecon la siguiente expresión:

Qmax. (µC) = 2. IFAV (A)

Qmin. = Qmax / 4

2-1 Tipos de Diodos,Conexiones

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