Cómo funcionan los tiristores (SCR) - Tutorial

Básicamente, un SCR (rectificador controlado por silicio), que también se conoce con el nombre de tiristor, funciona bastante como un transistor.

Qué significa SCR

El dispositivo recibe su nombre (SCR) debido a su estructura interna de semiconductores de múltiples capas que se refiere a la palabra 'silicio' al principio de su nombre.

La segunda parte del nombre 'Controlado' se refiere al terminal de puerta del dispositivo, que se conmuta con una señal externa para controlar la activación del dispositivo, y de ahí la palabra 'Controlado'.

Y el término 'Rectificador' significa la propiedad de rectificación del SCR cuando se activa su compuerta y se permite que la energía fluya a través de su ánodo hasta los terminales del cátodo, esto puede ser similar a la rectificación con un diodo rectificador.

La explicación anterior deja en claro cómo funciona el dispositivo como un 'Rectificador controlado por silicio'.

Aunque un SCR rectifica como un diodo e imita un transistor debido a su función de activación con una señal externa, una configuración interna de SCR consiste en una disposición de semiconductores de cuatro capas (PNPN) que se componen de 3 uniones PN en serie, a diferencia de un diodo que tiene una configuración de semiconductores de dos capas (PN) o un transistor que incluye una configuración de semiconductores de tres capas (PNP / NPN).

Puede consultar la siguiente imagen para comprender el diseño interno de las uniones de semiconductores explicadas y cómo funcionan los tiristores (SCR).

Otra propiedad de SCR que coincide claramente con un diodo son sus características unidireccionales que permiten que la corriente fluya solo en una dirección a través de él y se bloquee desde el otro lado mientras está encendido, habiendo dicho que los SCR tienen otra naturaleza especializada que les permite ser operados. como un interruptor abierto mientras está en el modo apagado.

Estos dos modos de conmutación extremos en los SCR impiden que estos dispositivos amplifiquen señales y no pueden usarse como transistores para amplificar una señal pulsante.

Los rectificadores controlados por silicio o los SCR como Triacs, Diacs o UJT, todos tienen la propiedad de funcionar como interruptores de CA de estado sólido de conmutación rápida mientras regulan un potencial o corriente CA determinada.

Por lo tanto, para ingenieros y aficionados, estos dispositivos se convierten en una excelente opción de interruptor de estado sólido cuando se trata de regular dispositivos de conmutación de CA como lámparas, motores, interruptores de atenuación con la máxima eficiencia.

Un SCR es un dispositivo semiconductor de 3 terminales que se asignan como Ánodo, Cátodo y Puerta, que a su vez están hechos internamente con 3 uniones P-N, que tienen la propiedad de conmutar a muy alta velocidad.

Por lo tanto, el dispositivo puede conmutarse a cualquier velocidad deseada y establecer períodos de ENCENDIDO / APAGADO discretamente, para implementar un tiempo promedio de encendido o apagado en una carga.

Técnicamente, el diseño de un SCR o un tiristor se puede entender comparándolo con un par de transistores (BJT) conectados en orden inverso, para formar un par de interruptores regenerativos complementarios, como se muestra en la siguiente imagen. :

Tiristores Analogía de dos transistores

El circuito equivalente de dos transistores muestra que la corriente del colector del transistor NPN TR2 se alimenta directamente a la base del transistor PNP TR1, mientras que la corriente del colector de TR1 se alimenta a la base de TR2.

Estos dos transistores interconectados dependen el uno del otro para la conducción, ya que cada transistor obtiene su corriente base-emisor de la corriente colector-emisor del otro. Entonces, hasta que a uno de los transistores se le dé algo de corriente de base, no puede suceder nada incluso si hay un voltaje de ánodo a cátodo.

La simulación de la topología SCR con una integración de dos transistores revela que la formación es de tal manera que la corriente del colector del transistor NPN se suministra directamente a la base del transistor PNP TR1, mientras que la corriente del colector de TR1 conecta el suministro con el base de TR2.

La configuración simulada de dos transistores parece interconectarse y complementarse entre sí al recibir la unidad base de la corriente del emisor del colector del otro, esto hace que el voltaje de la compuerta sea muy crucial y asegura que la configuración mostrada nunca pueda conducir hasta que se aplique un potencial de compuerta. incluso en presencia del ánodo al cátodo, el potencial puede ser persistente.

En una situación en la que el cable del ánodo del dispositivo es más negativo que su cátodo, permite que la unión N-P permanezca polarizada hacia adelante, pero asegurando que las uniones P-N externas tengan polarización inversa de modo que actúe como un diodo rectificador estándar.

Esta propiedad de un SCR le permite bloquear un flujo de corriente inverso, hasta que se inflija una magnitud de voltaje significativamente alta que puede estar más allá de sus especificaciones de pico hacia abajo a través de los cables mencionados, lo que obliga al SCR a conducir incluso en ausencia de un controlador de puerta. .

Lo anterior se refiere a características críticas de los tiristores que pueden hacer que el dispositivo se active indeseablemente a través de un pico de voltaje alto inverso y / o una temperatura alta, o un voltaje transitorio dv / dt cada vez más rápido.

Ahora suponga que en una situación en la que el terminal del ánodo experimenta una experiencia más positiva con respecto a su cable de cátodo, esto ayuda a que la unión P-N exterior se polarice hacia adelante, aunque la unión N-P central sigue teniendo una polarización inversa. En consecuencia, esto asegura que la corriente directa también se bloquee.

Por lo tanto, en caso de que una señal positiva inducida a través de la base del transistor NPN TR2 resulte en el paso de la corriente del colector hacia la base f TR1, que en trun obliga a la corriente del colector a pasar hacia el transistor PNP TR1 aumentando la unidad base de TR2 y el el proceso se refuerza.

La condición anterior permite que los dos transistores mejoren su conducción hasta el punto de saturación debido a su circuito de retroalimentación de configuración regenerativa mostrada que mantiene la situación enclavada y bloqueada.

Por lo tanto, tan pronto como se activa el SCR, permite que una corriente fluya desde su ánodo al cátodo con solo una mínima resistencia hacia adelante de alrededor que se interpone en el camino, lo que garantiza una conducción y operación eficientes del dispositivo.

Cuando se somete a una CA, el SCR puede bloquear ambos ciclos de la CA hasta que el SCR se ofrezca con un voltaje de activación a través de su compuerta y cátodo, lo que instantáneamente permite que el semiciclo positivo de la CA pase a través de los cables del cátodo del ánodo, y el dispositivo comienza a imitar un diodo rectificador estándar, pero solo mientras el gatillo de la puerta permanezca encendido, la conducción se interrumpe en el momento en que se quita el gatillo de la puerta.

Las curvas características tensión-corriente o I-V forzadas para la activación de un rectificador controlado por silicio se pueden observar en la siguiente imagen:

Curvas características del tiristor I-V

Sin embargo, para una entrada de CC, tan pronto como el tiristor se activa, debido a la conducción regenerativa explicada, se somete a una acción de enclavamiento de modo que la conducción del ánodo al cátodo se mantiene y sigue conduciendo incluso si se quita el gatillo de la puerta.

Por lo tanto, para una potencia de CC, la puerta pierde completamente su influencia una vez que se aplica el primer pulso de activación a través de la puerta del dispositivo, lo que garantiza una corriente bloqueada desde su ánodo hasta el cátodo. Puede romperse interrumpiendo momentáneamente la fuente de corriente del ánodo / cátodo mientras la puerta está completamente inactiva.

SCR no puede funcionar como BJT

Los SCR no están diseñados para ser perfectamente analógicos como los transistores homólogos y, por lo tanto, no se puede hacer que conduzcan en alguna región activa intermedia para una carga que puede estar en algún lugar entre la conducción completa y el apagado total.

Esto también es cierto porque el gatillo de la compuerta no tiene influencia sobre cuánto se puede hacer que el ánodo al cátodo conduzca o se sature, por lo que incluso un pequeño pulso momentáneo de la compuerta es suficiente para cambiar la conducción del ánodo al cátodo a un interruptor completo ENCENDIDO.

La característica anterior permite comparar un SCR y considerarlo como un pestillo biestable que posee los dos estados estables, ya sea completamente ENCENDIDO o completamente APAGADO. Esto se debe a las dos características especiales del SCR en respuesta a una entrada de CA o CC, como se explica en las secciones anteriores.

Cómo utilizar la puerta de un SCR para controlar su conmutación

Como se discutió anteriormente, una vez que se activa un SCR con una entrada de CC y su cátodo de ánodo se enclava automáticamente, esto se puede desbloquear o apagar, ya sea quitando momentáneamente la fuente de suministro del ánodo (corriente del ánodo Ia) por completo, o reduciendo la misma a algunos nivel significativamente bajo por debajo de la corriente de mantenimiento especificada del dispositivo o la 'corriente de mantenimiento mínima' Ih.

Esto implica que la corriente de retención mínima de ánodo a cátodo debe reducirse hasta que el enlace de enclavamiento interno P-N de los tiristores pueda restaurar su característica de bloqueo natural en acción.

Por lo tanto, esto también significa que para hacer que un SCR funcione o conduzca con un gatillo de compuerta, es imperativo que la corriente de carga del ánodo al cátodo esté por encima de la 'corriente de retención mínima' especificada Ih, de lo contrario, el SCR podría no implementar la conducción de carga, por lo tanto si IL es la corriente de carga, debe ser como IL> IH.

Sin embargo, como ya se discutió en las secciones anteriores, cuando se usa una CA a través de los pines del ánodo SCR, el cátodo asegura que el SCR no puede ejecutar el efecto de enclavamiento cuando se quita la unidad de puerta.

Esto se debe a que la señal de CA se enciende y apaga dentro de su línea de cruce por cero, lo que mantiene la corriente del ánodo SCR al cátodo para apagarse cada 180 grados de cambio del semiciclo positivo de la forma de onda de CA.

Este fenómeno se denomina 'conmutación natural' e impone una característica crucial a una conducción SCR. Al contrario de esto con los suministros de CC, esta característica se vuelve irrelevante con los SCR.

Pero dado que un SCR está diseñado para comportarse como un diodo rectificador, responde de manera efectiva solo a los semiciclos positivos de una CA y permanece con polarización inversa y no responde por completo a la otra mitad del ciclo de la CA incluso en presencia de una señal de puerta.

Esto implica que, en presencia de un disparador de puerta, el SCR conduce a través de su ánodo a cátodo solo para los respectivos semiciclos de CA positivos y permanece silenciado durante los otros semiciclos.

Debido a la función de enclavamiento explicada anteriormente y también al corte durante el otro medio ciclo de una forma de onda de CA, el SCR se puede usar de manera efectiva para cortar ciclos de CA de fase de modo que la carga se pueda cambiar a cualquier nivel de potencia inferior deseado (ajustable) .

También conocida como control de fase, esta función se puede implementar a través de una señal temporizada externa aplicada a través de la puerta del SCR. Esta señal decide después de cuánto retraso se puede disparar el SCR una vez que la fase de CA ha comenzado su semiciclo positivo.

Por lo tanto, esto permite que solo se cambie la parte de la onda de CA que está pasando después del disparador de la puerta. Este control de fase se encuentra entre las características principales de un tiristor controlado por silicio.

El funcionamiento de los tiristores (SCR) en el control de fase se puede entender observando las imágenes a continuación.

El primer diagrama muestra un SCR cuya puerta se activa permanentemente, como se puede ver en el primer diagrama, esto permite que la forma de onda positiva completa se inicie de principio a fin, a través de la línea de cruce por cero central.

Control de fase del tiristor

Al comienzo de cada semiciclo positivo, el SCR está en 'OFF'. En la inducción de la puerta, el voltaje activa el SCR en conducción y permite que esté completamente enganchado en “ON” durante todo el semiciclo positivo. Cuando el tiristor se enciende al inicio del semiciclo (θ = 0o), la carga conectada (una lámpara o cualquier similar) estaría en 'ON' durante todo el ciclo positivo de la forma de onda de CA (media onda rectificada de CA ) a una tensión media elevada de 0,318 x Vp.

A medida que se eleva la inicialización del interruptor de puerta en ON a lo largo del medio ciclo (θ = 0o a 90o), la lámpara conectada se enciende durante un tiempo menor y la tensión neta lleva a la lámpara igualmente proporcionalmente menos disminuyendo su intensidad.

Posteriormente, es fácil explotar un rectificador controlado por silicio como atenuador de luz de CA y en muchas aplicaciones adicionales de energía de CA, por ejemplo: control de velocidad del motor de CA, dispositivos de control de calor y circuitos reguladores de potencia, etc.

Hasta ahora hemos sido testigos de que un tiristor es fundamentalmente un dispositivo de media onda que puede pasar corriente solo en la mitad positiva del ciclo siempre que el ánodo sea positivo y evita el flujo de corriente como un diodo en los casos en que el ánodo es negativo. , incluso si la corriente de la puerta permanece activa.

Sin embargo, puede encontrar muchas más variantes de productos semiconductores similares para elegir, que se originan bajo el título de 'Tiristor' diseñado para operar en ambas direcciones de los semiciclos, unidades de onda completa, o que la señal de puerta podría apagarlo. .

Este tipo de productos incorporan 'Tiristores de apagado de puerta' (GTO), 'Tiristores de inducción estática' (SITH), 'Tiristores controlados por MOS' (MCT), 'Interruptor controlado de silicio' (SCS), 'Tiristores de triodo' (TRIAC) y “Tiristores activados por luz” (LASCR) para identificar algunos, con muchos de estos dispositivos accesibles en muchas clasificaciones de voltaje y corriente diferentes, lo que los hace interesantes para usarse en propósitos con niveles de potencia muy altos.

Descripción general del funcionamiento del tiristor

Los rectificadores controlados por silicio conocidos generalmente como tiristores son dispositivos semiconductores PNPN de tres uniones que podrían considerarse dos transistores interconectados que se pueden utilizar en la conmutación de cargas eléctricas pesadas operadas por la red.

Se caracterizan por estar enganchados: “ENCENDIDOS” mediante un solo pulso de corriente positiva aplicado a su cable de compuerta y pueden permanecer “ENCENDIDOS” sin fin hasta que la corriente de ánodo a cátodo se reduce por debajo de su medida de enclavamiento mínima especificada o se invierte.

Atributos estáticos de un tiristor

Los tiristores son equipos semiconductores configurados para funcionar solo en la función de conmutación. Los tiristores son productos controlados por corriente, una pequeña corriente de puerta puede controlar una corriente de ánodo más sustancial. Activa la corriente solo una vez con polarización directa y la corriente de activación aplicada a la puerta.

El tiristor funciona de forma similar a un diodo rectificador siempre que se active en 'ON'. La corriente del ánodo tiene que ser más que un valor de corriente sostenido para preservar la conducción. Inhibe el paso de corriente en caso de polarización inversa, independientemente de si se activa o no la corriente de puerta.

Tan pronto como se pone en “ON”, se enclava en “ON” funcionando independientemente de si se aplica una corriente de puerta, pero solo en caso de que la corriente del ánodo esté por encima de la corriente de enclavamiento.

Los tiristores son interruptores rápidos que puede utilizar para sustituir los relés electromecánicos en varios circuitos, ya que simplemente no tienen partes que vibren, no forman arco eléctrico o tienen problemas de deterioro o suciedad.

Pero además de simplemente cambiar las corrientes sustanciales a “ENCENDIDO” y “APAGADO”, los tiristores se pueden lograr para administrar el valor RMS de una corriente de carga de CA sin disipar una cantidad considerable de energía. Un excelente ejemplo de control de potencia de tiristores es el control de iluminación eléctrica, calentadores y velocidad del motor.

En el siguiente tutorial veremos algunos conceptos básicos Circuitos y aplicaciones de tiristores utilizando fuentes de CA y CC.