El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una
puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en
conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una
secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).
La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”)
se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado
“ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un
determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor.
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores
unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
SCR (Rectificador Controlado de Silicio) :
De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de
la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de
tiristor que de SCR.
El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la
Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el
dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).
Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán
directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2.
Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores
negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se
conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo.
De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial
disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la
corriente de puerta.
Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas, en
cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la unión J3 está entre dos regiones altamente dopadas, no es capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo del componente
Activación o disparo y bloqueo de los SCR:
Disparo por tensión excesiva
Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de
polarización se aplica sobre la unión J2 . El aumento de la tensión VAK lleva a una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como para la capa N adyacente. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son aceleradas por el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de modo que, si al iniciar la circulación de corriente se alcanza el límite IL, el dispositivo se mantendrá en conducción .
Disparo por impulso de puerta
Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el
SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y
la corriente IG, como se muestra
El valor VGmin indica la mínima tensión de puerta que asegura la conducción de todos
los componentes de un tipo determinado, para la mínima temperatura especificada.
El valor VGmax es la máxima tensión de puerta que asegura que ningún componente de
un tipo determinado entrará en conducción, para la máxima temperatura de operación.
La corriente IGmin es la mínima corriente necesaria para asegurar la entrada en
conducción de cualquier dispositivo de un cierto tipo, a la mínima temperatura.
El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Thevenin para
determinar la recta de carga sobre las curvas características vGK-iG. la recta de carga cortará los ejes en los puntos 6 V (tensión en vacío de corriente de Disparo) y 6 V / 12 Ω = 0,5 A (intensidad de cortocircuito). Para asegurar la operación correcta del componente, la recta de carga del circuito debe asegurar que superará los límites vGmin y iGmin, sin exceder los demás límites (tensión, corriente y potencia máxima).
Disparo por derivada de tensión
Si a un SCR se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con
tiempo de subida muy corto, del orden de microsegundos, los portadores sufren un
desplazamiento infinitesimal para hacer frente a la tensión exterior aplicada.
Como se comentó para el caso de disparo por tensión excesiva, si la intensidad de
fugas alcanza el valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor
entrará en conducción estable y permanecerá así una vez pasado el escalón de tensión que lo disparó.
El valor de la derivada de tensión dv/dt depende de la tensión final y de la
temperatura, tanto menor cuanto mayores son éstas.
Disparo por temperatura
A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada
aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción.
Disparo por luz
La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación
electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la
corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo.
Los tiristores diseñados para ser disparados por luz o tiristores fotosensibles LASCR
(“Light Activated SCR”) suelen ser de pequeña potencia y permiten un aislamiento óptico
entre el circuito de control y el circuito de potencia
Parametros del SCR
- VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)
- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)
- IF: Máxima corriente directa permitida.
- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.
- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado
- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR
- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.
- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR
El cable blanco es la puerta. El rojo fino sirve de referencia de la tensión de cátodo
El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) : es un tiristor bidireccional de tres
terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y vivecersa, y puede ser
disparado con tensiones de puerta de ambos signos.
Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos
de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de
semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primer
TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos
decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De
esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente.
el símbolo utilizado para representar el TRIAC, así como su
estructura interna en dos dimensiones. Como se ha mencionado, el TRIAC permite la
conducción de corriente de ánodo a cátodo y viceversa, de ahí que los terminales no se
denominen ánodo y cátodo, sino simplemente ánodo 1 (A1) y ánodo 2 (A2). En algunos
textos dichos terminales se denominan MT1 y MT2.
Como en el caso del SCR, tenemos un terminal de control denominado puerta que nos
permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación. Si bien el TRIAC tiene varios mecanismos de encendido (con corrientes positivas y negativas), lo más usual es inyectar corriente por la puerta en un sentido para provocar la puesta en conducción.
Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo
únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. Sin embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de
potencia muy reducida. En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de
TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de
motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15kW. La frecuencia
máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red
monofásica
GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)
A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido
poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el
desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000 V y los 4000 A.
Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los
tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores diferentes a los SCRs o TRIACs
El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar
las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el
GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos
dimensiones.
Principio de funcionamiento
El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los
tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente
polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción
El funcionamiento como
GTO depende, por ejemplo, de factores como:
• Facilidad de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.
• Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo
tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.
• Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor
dopado en la región del cátodo.
• Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo
con gran área de contacto.
Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones
inversas.
EXCELENTE MATERIAL
ResponderEliminargrandeeee
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