término tiristor
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ELECTRONICA DE POTENCIA
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
EXTENSIÓN SAN FELIPE
ELECTRONICA DE POTENCIA
San Felipe, Junio 2014
:
Autores:
AGATON ANDERSON
HERNADEZ PEDRO
MUÑOZ DANIEL
ELECTRONICA DE POTENCIA
EL TÉRMINO TIRISTOR
El rectificador controlado de silicio o tiristor propuestas por William
Shockley en 1950 y abogó por Moll y otros en los Laboratorios Bell
fuedesarrollado en 1956 por los ingenieros de energía de General Electric
dirigido por Gordon Hall y comercializados por Frank W. Gutzwiller "Bill" de GE.
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas
(pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante
circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia.
La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel
reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite o
impide el paso de la corriente a través de ella. Así como los transistores
pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en
cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción.
ELECTRONICA DE POTENCIA
Los primeros dispositivos de tiristores fueron liberados comercialmente en 1956
debido a tiristores pueden controlar una cantidad relativamente grande de
energía y el voltaje con un dispositivo pequeño, encuentran amplia aplicación
en el control de la energía eléctrica, que van desde reguladores de luz y de
control de velocidad del motor eléctrico a alta tensión transmisión de potencia
de corriente continua. Originalmente tiristores confiar sólo en inversión de la
corriente de apagarlos, lo que dificulta la aplicación de corriente continua; tipos
de dispositivos más recientes se pueden activar y desactivar a través de la
señal de la puerta de control. Un tiristor no es un control proporcional como un
transistor, pero es solamente siempre totalmente en o totalmente apagado, que
los hace inadecuados para los amplificadores analógicos.
El tiristor es un dispositivo de cuatro capas, de tres terminales
semiconductoras, con cada capa que consiste de tipo N o de tipo P material de
forma alterna, por ejemplo PNPN. Los terminales principales, ánodo y cátodo,
se encuentran en las cuatro capas completas, y el terminal de control, llama a
la puerta, se une al material de tipo p cerca del cátodo.
ELECTRONICA DE POTENCIA
TIRISTOR
Los tiristores, cuya aparición sucedió tiempo después del desarrollo de los
primeros transistores, fueron creados a partir de los transistores PNP y NPN.
La palabra "tiristor" significa "puerta".
En muchas de las aplicaciones industriales, se requieren cantidades de
potencia variable con el fin de controlar, por ejemplo, la intensidad de
iluminación de un foco, la velocidad de un motor, el calentamiento de
resistencias, etc. Y aunque tales funciones puede realizarlas un transformador
variable, hay que recordar que este dispositivo es muy voluminoso, tiene un
precio alto y requiere de mantenimiento constante; o sea, es poco rentable. Por
esta razón se recurre a los tiristores, que eliminan dichas limitantes.
ELECTRONICA DE POTENCIA
Un tiristor es un dispositivo formado por cuatro capas de material
semiconductor dopado. De estas capas, emergen tres terminales; mediante un
potencial llamado voltaje de disparo o pulso de disparo (Vpulse), una de estas
terminales se encarga de controlar el paso de la corriente eléctrica por las otras
dos.
La característica más importante del tiristor, es que, una vez aplicado el voltaje
de disparo, conduce electricidad de manera indefinida aunque ya hubiera
desaparecido o se hubiera quitado el pulso de disparo.
CONTROLAR EL VOLTAJE DE LOS TIRISTORES
Para controlar el voltaje de corriente alterna aplicado a una carga, los
tiristores permiten el paso de una cantidad específica de los semis ciclos de
dicha corriente. Con esta acción, la potencia o el voltaje aplicado a la carga se
reduce. Por lo general esto se logra aplicando pulsos de disparo a la compuerta
“G” de los tiristores, estos pulsos están desfasados respecto al inicio del semis
ciclo positivo o negativo de la señal alterna AC , en un ángulo alfa el cual varía
entre grados.
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CARACTERÍSTICAS DE LOS TIRISTORES
Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las
uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene
polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo
al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo
directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de
estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK se incrementa a un
valor lo suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente
entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje
correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las
uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre
de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran
corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en
estado de conducción o activado.
La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será
pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo debe
ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de
mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión;
de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo
regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la
corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de
conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha
retirado la señal de la compuerta.
ELECTRONICA DE POTENCIA
Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en
conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá
conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento de
vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la
corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente
de mantenimiento IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la
unión J2 debido al número reducido de portadores; el tiristor estará
entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden
de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL. Esto
significa que IL>IH. La corriente de mantenimiento IH es la corriente del
ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente.
La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión
J2 tiene polarización directa, pero las unioneJ1 y J3 tienen polarización
inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje
inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y
una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR,
fluirá a través del dispositivo.
CURVA CARACTERÍSTICA DE UN TIRISTOR, Y SU INTERPRETACIÓN
La curva característica de este componente, se muestra ver en el gráfico
como un tiristor imaginario, vemos representadas en primer lugar las
características que presenta el tiristor en estado de paso de corriente directa.
Hay inicialmente, una característica de bloqueo en el momento del paso de la
corriente en sentido directo, que viene representado por toda la línea A. Aquí
crece la tensión directa sin que el tiristor permita el paso de la corriente. Pero
cuando esta alcanza un determinado punto conocido con el nombre de tensión
de operación, el tiristor permite el paso de la corriente en sentido directo, lo que
se representa por la línea ascendente B. Ahora la corriente de paso directo es
elevada.
ELECTRONICA DE POTENCIA
Cuando la corriente directa desciende de valor se mantiene hasta la llamada
corriente de retención o corriente de mantenimiento (C), por debajo de la cual
se interrumpe el paso de la corriente en sentido directo.
En el sentido inverso, el tiristor se comporta como un diodo normal, es decir,
impidiendo el paso de la corriente, aunque posee, al igual que el diodo zener,
un acodamiento en la curva característica a la cual, no obstante y en servicio
normal, no suele llegarse.
El tiristor de un modo parecido a un diodo normal si no fuera por la 'falla' que se
produce en su curva característica los puntos O-C-D, como se ve en el
segundo gráfico en donde la corriente debe sufrir como un disparo para
conseguir el paso en el sentido directo. En realidad, cuando la tensión entre
ánodo y cátodo crece a partir de cero (ahora nos referimos a una tensión nula
entre electrodo de gobierno y cátodo) el punto representativo se desplaza por
la curva O-C hasta obtener el valor V2 de la tensión con un valor de intensidad
muy débil. En el momento de llegar a V2 la conducción en sentido directo
aparece bruscamente, de modo instantáneo, entre C-D de forma que aquí se
mantiene la misma intensidad, pero para una tensión muy inferior. Si la tensión
aumenta el paso de la corriente aumenta también pero muy rápidamente a
través de la curva D-B, con fuertes intensidades para tensiones muy pequeñas.
ELECTRONICA DE POTENCIA
ELECTRONICA DE POTENCIA
Para un mejor conocimiento
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COMPORTAMIENTO DEL TIRISTOR EN POLARIZACIÓN DIRECTA E INVERSA
Polarización Directa
Con la polarización directa, la unión p-n impulsa los huecos desde el material tipo p a la unión y los electrones desde el material tipo n a la unión. En la unión, los electrones y huecos se combinan de modo que se mantiene una corriente continua.
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Polarización Inversa
La aplicación de un voltaje inverso a la unión p-n produce un flujo de corriente transitoria y ambos electrones y huecos se separan de la unión. Cuando el potencial formado por la capa de depleción ensanchada, se iguala al voltaje aplicado, cesa la corriente excepto una pequeña cantidad de corriente térmica.
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SCR
El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de
tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o
SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó
SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica
Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor
de tres terminales o SCR.
Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus
aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por
medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto
mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve VBO. Si se
escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de
compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente
puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una
vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por
debajo de IH. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de
compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la
caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor
que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.
Símbolo del SCR.
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CARACTERÍSTICA
Característica del SCR
En cuanto a la parte de polarización positiva, el diodo no conduce hasta que
se recibe un pulso de tensión en el terminal de puerta (gate). Una vez
recibido, la tensión entre ánodo y cátodo cae hasta ser menor que un voltio
y la corriente aumenta rápidamente, quedando limitada en la práctica por
componentes externos.
En la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán la
destrucción del SCR si se superan: VRB e IMAX. VRB (Reverse Breakdown
Voltage) es, al igual que en el diodo Shockley, la tensión a partir de la cual
se produce el fenómeno de avalancha. IMAX es la corriente máxima que
puede soportar el SCR sin sufrir daño. Los otros dos valores importantes
son la tensión de cebado VBO (Forward Breakover Voltage) y la corriente de
mantenimiento IH, magnitudes análogas a las explicadas para el diodo
Shockley.
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Usos de un SCR.
Se activa cuando el voltaje VD que lo alimenta excede VBO
Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo nivel se controla por la cantidad
de corriente iG, presente en el SCR
Se desactiva cuando la corriente iD que fluye por él cae por debajo de IH
Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere
el voltaje máximo inverso
El DIAC
El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de
dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente
sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente
circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El
comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la
corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor
de 30 V.
Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar
los triac, otra clase de tiristor.
Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo.
Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre
sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20
y 36 volts según la referencia.
Construcción básica y símbolo del diac
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CARACTERÍSTICA
Característica V-I del diac
La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac,
que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en
inversa.
Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la
conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente
de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de
tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.
Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la
corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante
una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control
de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación
de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.
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La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito, en
que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza
la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de
C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción.
Usos de un DIAC.
El diac es un componente simétrico porque está formado por dos diodos
conectados en paralelo y en contraposición, por lo que cada uno de ellos
permitirá el paso de corriente de cada uno de los semiciclos de la corriente
alterna a que se le somete.
Para que un diac comience a funcionar, necesitará que se le apliquen entre
sus bornes una tensión determinada, momento después del cual empezará
a trabajar. La tensión mínima necesaria se denomina tensión de disparo.
Dicha tensión de disparo será aproximadamente de 30 V.
Normalmente, este tipo de componentes se emplean para controlar el
disparo de tipo de componentes, como lo son los tiristores y,
fundamentalmente, para el disparo de Triacs.
TRIAC
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.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que
formarían dos SCR en direcciones opuestas.
Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de
ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una
corriente al electrodo puerta.
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Construcción básica y símbolo del TRIAC
CARACTERÍSTICA
Característica V-I del triac
La curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de VBO es distinto. En la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de VBO más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor IH.
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Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.
Control básico de potencia con un Triac
Usos de un TRIAC
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas
ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.
Funciona como interruptor electrónico y también a pila.
Se utilizan TRIACS de baja potencia en muchas aplicaciones
como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y
en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros.
No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores
eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse
que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda
de Corriente alterna.
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IGBT
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate
Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica
como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de
los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo
voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta
aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor
en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del
MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del
BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables
hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las
aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos
acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente
conscientes de
eso: automóvil, tren,metro, autobús, avión, barco, ascensor,electrodoméstico, t
elevisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI.
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CARACTERÍSTICA
Dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión
de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar
sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil
en la puerta.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta
100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en
aplicaciones de altas y medias energía como conmutada, control de la
tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT
consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden
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manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes
de bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene
la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la
corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las
corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente
altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre
los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo
más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Circuito equivalente de un IGBT.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión.
La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja
de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de
entrada muy débil en la puerta
Usos de un IGBT
Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la
corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo
hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en
el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain iD debe ser
polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de
encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje,
si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar
que el tiempo de encendido sea menor a 1s, después de lo cual la corriente
de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante).
Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje
en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de
potencia en el gate es muy baja.
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la
terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo
puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de
conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.
EL IGBT requiere un valor límite VGS (TH) para el estado de cambio de
encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de
este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el
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voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un
voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se auto limita.
El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente
directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que
exceden los 50 kW.
SCR DIAC
TRIAC IGBT
SEMI CONDUCTORES
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CUADRO RESUMEN DE LOS DIFERENTES COMPONENTES
SEMICONDUCTORES
NOMBRE SIMBOLO USO VOLT/REQUERIDO
TIRISTOR
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN
Intensidades hasta 3.000 A y tensiones inversas de hasta 5.000 V,
SCR
Se activa cuando el voltaje VD que lo alimenta excede VBO. Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente iG, presente en el SCR
resistencia dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1
0,7-0,8V voltaje que suele utilizar y 1.2 a 1.5 son caídas de voltajes
DIAC
Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura
Obtiene una
Tensión de disparo
de alrededor de
30V.
TRIAC
controla el paso de la corriente alterna a la lámpara(carga),pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula)
Señal DC de 5v para corriente directa el triac conduce hasta que el voltaje de AC aplicado toma el valor cero.
IGBT
Dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V
voltaje arriba de 15 V; niveles de potencia que exceden los 50 kW.
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ANEXOS
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Tiristores
ELECTRONICA DE POTENCIA
SCR
Ñ
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DIAC
ELECTRONICA DE POTENCIA
TRIAC
ELECTRONICA DE POTENCIA
IGBT
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