TiristoresClase 4

19-02-2014

Los Tiristores

Además de los transistores, hay otro grupo muy importante de semiconductores llamados tiristores, los cuales se emplean principalmente como interruptores electrónicos. A su vez, dentro de los tiristores hay varios tipos siendo los principales los SCR y los Triac; y otros, no tan utilizados como los diac, y los GTO.

Los Tiristores

Estos dispositivos han ido reemplazando, con más eficiencia, confiabilidad y duración en todo tipo de tareas, a los interruptores electromecánicos tales como los relés y los contactores cuyas partes mecánicas se van desgastando con el uso.

Los Tiristores

Los tiristores en general, son dispositivos semiconductores, igual que los diodos y los transistores, formados por cuatro o más capas alternadas de materiales tipo N y P que producen, por retroalimentación interna, un efecto de engache o enclavamiento (latching), el cual los hace extremadamente útiles en tareas de conmutación y de control de potencia donde se emplean como interruptores en estado solido, a diferencia de los transistores bipolares y de los FET que trabajan principalmente como amplificadores de señal.

Los Tiristores

TIRISTORES

SCR TRIAC OTROS

DIAC GTO SCS LASCR

𝑭𝑰𝑮𝑼𝑹𝑨𝟏𝑻𝑰𝑷𝑶𝑺𝑫𝑬𝑻𝑰𝑹𝑰𝑺𝑻𝑶𝑹𝑬𝑺

Los Tiristores

Los tiristores son interruptores muy eficientes. Comparados con un interruptor electromecánico, un tiristor tiene una vida de servicio muy larga, puede operar a muy altas velocidades, no genera chispas, trabaja silenciosamente, es insensible a la gravedad y las vibraciones.

Además una vez disparado, su resistencia de conducción es muy baja.

Tipos de Tiristores

Los dos principales tipos de tiristores son: el rectificador controlado de silicio o SCR (Silicon Controlled Rectifier) y el tríodo de corriente alterna o Triac, cuyas características se explican mas adelante.

También se dispone de tiristores para tareas especiales como los diac, los GTO, los SCS, los LASCR, etc., figura 1

Los rectificadores controlados de silicio (SCR – Silicon Controled Rectifier) El SCR, como su nombre lo indica, es un diodo

rectificador conformado por cuatro capas de material semiconductor y tres uniones PN que además de un nodo (A) y un cátodo (C o K), posee una terminal extra para fines de control llamado compuerta o gate (G).

Los rectificadores controlados de silicio (SCR – Silicon Controled Rectifier) En la figura 2 se muestra su símbolo, su

estructura interna, su circuito equivalente con transistores y algunos de los encapsulados mas comunes con los cuales se fabrican.

Los rectificadores controlados de silicio (SCR – Silicon Controled Rectifier)

Símbolo, estructura interna, circuito equivalente y encapsulados comunes par los SCR

Funcionamiento del SCR

Los SCR son esencialmente diodos rectificadores y se comportan de la misma forma, excepto que, cuando están directamente polarizados, requieren la aplicación de una corriente en la compuerta para realizar su acción básica.

En otras palabras ser disparados por una señal de control

Funcionamiento del SCR

Una vez disparado, un SCR entra en conducción, comportándose como un interruptor cerrado. Bajo esta condición, la compuerta deja de tener control sobre el estado del dispositivo y la única forma de bloquearlo es interrumpiendo la corriente del ánodo o reduciéndola por debajo de un valor mínimo llamado corriente de sostenimiento

Funcionamiento del SCR

Los SCR pueden también entrar en conducción con una corriente de compuerta cero es tanto directa o inversamente polarizados, cuando el voltaje entre el anodo y el catodo es superior a un valor critico (directo) ó (Inverso), respectivamente, llamado voltaje de ruptura.

También puede haber conducción con cuando la velocidad de cambio de es superior a la especificada.

Estos métodos de disparo no se utilizan en la práctica y deben evitarse.

Funcionamiento del SCR

Su funcionamiento general se puede explicar en términos del circuito equivalente de transistores mostrado en la figura 3, llamado cerrojo o latch ideal.

Esta disposición se caracteriza por ser regenerativa, es decir, por proporcionar una retroalimentación positiva que mantiene al dispositivo enganchado (conduciendo), o desenganchado (bloqueado) cuando se produce un aumento o una disminución en la corriente en cualquier punto del lazo.

Funcionamiento del SCR

Circuito básico del cerrojo

Curva característica de un SCR

El comportamiento de un SCR se puede representar gráficamente mediante una familia de curvas características, cada una asociada a una corriente de compuerta en particular, como se muestra en la figura 4.

Sobre el eje vertical se indica la corriente de ánodo y sobre el eje horizontal el voltaje entre ánodo y cátodo .

Curva característica de un SCR

𝑭𝒊𝒈𝒖𝒓𝒂𝟒𝑪𝒖𝒓𝒗𝒂𝑪𝒂𝒓𝒂𝒄𝒕𝒆𝒓𝒊𝒔𝒕𝒊𝒄𝒂𝒅𝒆𝒖𝒏𝑺𝑪𝑹

Curva característica de un SCR

En cada curva característica se pueden distinguir las siguientes regiones:

1. Región de bloqueo directo. Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en estado de bloqueo directo, es decir, con el ánodo positivo respecto al cátodo y sin corriente de compuerta aplicada.

Curva característica de un SCR

En cada curva característica se pueden distinguir las siguientes regiones:

2. Región de encendido. Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en condiciones de disparo, es decir, después de aplicar una corriente de compuerta . Notemos que hay una región de resistencia negativa en el cual el disminuye rápidamente hasta estabilizarse en un valor muy bajo , ligeramente superior a 0.6V

Curva característica de un SCR

En cada curva característica se pueden distinguir las siguientes regiones:

3. Región de bloqueo inverso. Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en estado de bloqueo inverso, es decir con el ánodo negativo respecto al cátodo y con o sin corriente de compuerta aplicada.

Identificación y especificaciones electricas

Como los demás semiconductores, los SCR se identifican por una referencia y se especifican principalmente por la máxima corriente de ánodo , el voltaje de ruptura directo y el voltaje de ruptura inverso .

Identificación y especificaciones electricas

Se consiguen SCR con capacidades de corriente menos de 500 mA hasta mas de 300 A, y con voltajes de ruptura desde menos de 25V hasta mas de 2000 V.

Para el , por ejemplo,

APLICACIONES DEL SCR

Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna

APLICACIONES DEL SCR

La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta.

De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa.

Como se muestra a continuación

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC)

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC) Señal de entrada (Amarilla) :

Tensión de la fuente de entrada en ACSeñal de salida de la carga (Azul): a. Parte izquierda de la señal

faltante significa la ángulo de disparo (No conduce).

b. Parte derecha de la señal ángulo sección de conducción (la parte que si conduce)

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC) Medimos el voltaje de ánodo a

cátodo del SCR

Se comporta como interruptor abierto del SCR sin permitir el paso de corriente a la carga, se observa la región de disparo y la de conducción

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC) Tercero si aumentamos la

resistencia del potenciómetro la región de conducción aumenta y la región de disparo disminuye

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC) Cuarto si disminuimos la

resistencia del potenciómetro la región de conducción disminuye y la región de disparo aumenta

Ejemplo de Simulación del Rectificador controlado de Silicio (SRC)

Quinto lo mismo ocurre comentado anteriormente con la grafica donde medimos el voltaje entre anodo-catodo.

Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes:

Controles de relevador.

Circuitos de retardo de tiempo.

Fuentes de alimentación reguladas.

Interruptores estáticos.

Controles de motores

Recortadores.

Inversores.

Ciclo conversores.

Cargadores de baterías.

Circuitos de protección.

Controles de calefacción.

Controles de fase.

Activación del Tiristor

Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas.

Térmica. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que pro lo general se evita.

Luz. Este tipo de activación se logra al permitir que esta llegue a los discos de silicio.

Alto voltaje. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

. Se puede notar que si la velocidad de elevación de voltaje ánodo-catodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar al tiristor; por lo que el dispositivo debe de protegerse contra un . Los fabricantes especifican el máximo permisible de los tiristores.

Activación del Tiristor

Se deben tomar en cuenta los siguientes puntos en el diseño de un circuito de control de compuerta:

1. La señal de compuerta debe eliminarse después de activarse el tiristor. Una señal continua de compuerta aumentaría la perdida de potencia en la unión de la compuerta.

2. Mientras el tiristor este con polarización inversa, no debe de haber señal de compuerta; de lo contrario, el tiristor puede fallar debido a una corriente de fuga incrementada.

3. El ancho del pulso de la compuerta debe ser mayor que el tiempo requerido para que la corriente del ánodo se eleve al valor de corriente de mantenimiento . En la práctica, el ancho del pulso por lo general se diseña mayor que el tiempo de activación del tiristor.

Protección Contra

Si el interruptor de la figura a se cierra en , se aplicara un escalón de voltaje a través del tiristor por lo que puede ser lo suficiente para activar al dispositivo. El se puede limitar conectando el capacitor , como aparece en la figura a .

𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎𝑎𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜𝑠𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛𝑑𝑣 /𝑑𝑡

Protección Contra

Cuando el Tiristor 1 se active, la corriente de descarga del capacitor 𝑇estará limitada por el resistor como aparece en la figura b.𝑅𝑠

𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎𝑏

Protección Contra

Con un circuito RC conocido como circuito de freno, el voltaje a través del tiristor se eleva en forma exponencial, como se muestra en la figura c, y el circuito puede encontrarse aproximadamente a partir de

𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 c

𝑑𝑣𝑑𝑡

=0.632𝑉 𝑠

𝜏=0.632𝑉 𝑠

𝑅𝑠𝐶𝑠

Protección Contra

El valor de la constante de tiempo del freno se puede determinar a través de la ecuación anterior a partir de un valor conocido . El valor de se encuentra a partir de la corriente de descarga

𝑅𝑠=𝑉 𝑠

𝐼𝑇𝐷

Protección Contra

Es posible utilizar más de una resistencia para , tal como aparece en la figura d. queda limitado por y por . limita la corriente de descarga, de modo que

𝐼𝑇𝐷=𝑉 𝑠

𝑅1+𝑅2

𝐹𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎𝑑

Protección Contra

La carga puede formar un circuito en serie con la red de freno, tal y como se muestra en la figura e. La relación de amortiguación de una ecuación de segundo orden es

𝛿= 𝛼𝜔0

=𝑅𝑠+𝑅2 √ 𝐶𝑠

𝐿𝑠+𝐿

𝐹𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 e

Donde es la inductancia dispersa, y Son la inductancia y la resistencia de carga,respectivamente

Protección Contra

Al fin de limitar el excedente de voltaje pico aplicado a través del tiristor, la relación de amortiguación se utiliza en el rango de 0.5 a 1.0. Si la inductancia de la carga es alta, que por lo general es el caso, puede ser alto y puede ser pequeño, para tener el valor deseado de la relación de amortiguación.

Un valor alto de reducirá la corriente de descarga y un valor bajo de reducirá la perdida del circuito de freno. Los circuitos anteriores deberán ser totalmente analizados a fin de determinar el valor requerido de la relación de amortiguación para limitar como para suprimir el voltaje transitorio debido al tiempo de recuperación inversa.

Ejemplo

El voltaje de entrada de la figura e es de con una resistencia de carga . Las inductancias de carga y dispersas son despreciables y el tiristor es operado a una frecuencia de . Si el requerido es de y la corriente de descarga debe limitarse a 200 A, determine (a) los valores de b) la perdida en el circuito de freno y c) la especificación de potencia de la resistencia de circuito de freno.

Solución

Inciso a A partir de la figura e, la corriente de la carga del

capacitor del circuito de freno se puede expresar de la siguiente forma

Con la condición inicial , la corriente de carga se encuentra como

Donde . El voltaje directo a través del tiristor es

Solución

En tenemos que

En tenemos que

Solución

Por lo tanto tenemos que

Además tenemos que

Solución

De la ecuación de tenemos que despejando

Inciso b La perdida del circuito de freno es

Solución

Inciso c Suponiendo que toda la energía almacenada en se

disipa únicamente en , la especificación de potencia de la resistencia del circuito de freno es 30.29 Watts