Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn
Tiristores
INTRODUCCION:
Un
tiristor es uno de los tipos más importantes de los
dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan
en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se
operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no
conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede
suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales,
aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas
características y limitaciones.
CARACTERISTICAS DE LOS TIRISTORES:
Un
Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura
pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo
y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una
sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican
por difusión.
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.
Fig.
1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn
La caída de
voltaje se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas
y será pequeña, por lo común 1V. En el estado
activo, la corriente del ánodo está limitada por una
impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como se muestra en la
fig. 2.
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. En la fig. 2b aparece una
gráfica característica v-i común de un tiristor.
Fig.2
Circuito Tiristor y característica v-i
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
debida al número reducido de portadores; el tiristor estará
entonces en estado de Esto significa que
ILbloqueo. La corriente de mantenimiento es del
orden de los miliamperios y es menor que la corriente de
enganche, 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 uniones
J1 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.
MODELO DE TIRISTOR DE DOS TRANSITORES.
La acción regenerativa o de enganche de vida a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.
La corriente del colector IC de un tiristor se relaciona, en general, con la corriente del emisor IE y la corriente de fuga de la unión colector-base ICBO, como
Ic = IE + ICBO……………………..(1)
La ganancia de corriente de base común se define como =IC/IE. Para el transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del ánodo IA, y la corriente del colector IC1 se puede determinar a partir de la ecuación (1):
IC1 = 1 IA + ICBO1………………………(2)
a) Estructura
básica
b) Circuito equivalente
Fig. 3 Modelo de tiristor de
dos terminales.
Donde alfa1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para Q1. En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector IC2 es:
IC2 = 2IK + ICBO2…………………………(3)
Donde 2 es la ganancia de corriente y ICBO2 es la corriente de fuga correspondiente a Q2. Al combinar IC1 e IC2, obtenemos:
IA = IC1 + IC2 = 1IA + ICBO1 + 2IK + ICBO2……………………….(4)
Pero para una corriente d compuerta igual AIG, IK=IA+IG resolviendo la ecuación anterior en función de IA obtenemos:
IA =
2 IG + ICBO1 +
ICBO2………………………….(5)
1 - ( 1 + 2)
ACTIVACION DEL TIRISTOR
Un tiristor se activa incrementándola corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas.
TERMICA. Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que 1 y 2 aumenten. Debido a la acción regenerativa ( 1+ 2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.
LUZ. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.
ALTO VOLTAJE. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.
dv/dt. Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo 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 el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.
CORRIENTE DE COMPUERTA. Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo.
En corriente continua:
Normalmente
el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su
compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el
interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo
en polarización directa. Si no existe corriente en la
compuerta el tristor no conduce. Lo que sucede después de ser
activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se
desea que el tristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser
reducido a 0 Voltios.
Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra no sea cero.
Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:
1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja
2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada
El SCR y la corriente Alterna:
Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. (en el caso de la figura es un bombillo o foco
La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 120V c.a., 240V c.a. , etc.
El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. Puede verse que el voltaje en el condensador (en azul) está atrasado con respecto al voltaje de alimentación (en rojo) causando que el tiristor conduzca un poco después de que el tiristor tenga la alimentación necesaria para conducir.
Durante el ciclo negativo el tiristor se abre dejando de conducir. Si se modifica el valor de la resistencia, por ejemplo si utilizamos un potenciómetro, se modifica el desfase que hay entre las dos tensiones antes mencionadas ocasionando que el SCR se active en diferentes momentos antes de que se desactive por le ciclo negativo de la señal. y deje de conducir.
TIPOS DE TIRISTORES.
Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.
Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías:
1. Tiristores de control de fase
(SCR).
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR).
3.
Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
4.
Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
5. Tiristores de
conducción inversa (RTC).
6. Tiristores de inducción
estática (SITH).
7. Rectificadores controlados por silicio
activados por luz (LASCR)
8. Tiristores controlados por FET
(FET-CTH)
9. Tiristores controlados por MOS (MCT)
