Tiristores

TIRISTORES

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).

Los tiristores son interruptores electrónicos utilizados en circuitos de potencia donde es necesario controlar la activación del interruptor.

Los tiristores son dispositivos de tres terminales (ánodo, cátodo y puerta) Dentro de la familia de tiristores se encuentran:

- Rectificador controlado de silicio (SCR)

- El  Triac

- Tiristor de bloqueo por puerta (GTO)

- Tiristor controlado por MOS (MCT)

Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altas tensiones de bloqueo pero las frecuencias de conmutación están limitadas a valores de 20Khz.

El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente.

Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.

Formas de accionar un tiristor.

·        Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares     electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

·        Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.

·        Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.

·        Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo.

·        dv/dt: Si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento.

TIRISTOR SCR

El  SCR (Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNP. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

caracteristicas estaticas

Las características estáticas corresponden a la región 

ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan

 al elemento en límite de sus posibilidades:

- Tensión inversa de pico de trabajo.

- Tensión directa de pico repetitiva.

- Tensión directa.

- Corriente directa media.

- Corriente directa eficaz.

- Corriente directa de fuga.

- Corriente inversa de fugas.

- Corriente de mantenimiento.

Características dinámicas.

Tensiones transitorias:
Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación, son breves y de gran amplitud, la tensión inversa de pico no repetitiva  debe estar dentro de esos valores.

Impulsos de corriente:

Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una          corriente de pico dada, a mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos, el tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.

TIRISTOR GTO

Al igual que el SCR, se activa al aplicar una corriente de puerta de corta duración cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva.

El GTO también puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa. La corriente de desactivación debe ser muy grande comparada con la corriente de activación.

El GTO es apropiado para aplicaciones en las que es necesario controlar tanto la activación como la desactivación del interruptor.

Funcionamiento

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga existe.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo  por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

TRIAC

El TRIAC es un tiristor  capaz de conducir corriente en ambos sentidos. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas.

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

MCT

Es un dispositivo funcionalmente equivalente al GTO, pero sin el requisito de alta corriente de desactivación de puerta. Está formado por un SCR y dos transistores MOSFET. Un MOSFET activa el SCR y el otro lo desactiva estableciendo la tensión puerta-cátodo, apropiada.

APLICACIONES

Son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta.