El rectificador controlado de silicio SCR: (Silicon Controlled Rectifier

El rectificador controlado de silicio SCR: (Silicon Controlled Rectifier) es un tipo
de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura
PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y
Transistor.
Símbolo y terminales del SCR
Corriente directa
Corriente alterna
El SCR y la corriente continua:
Tomar en cuenta el gráfico siguiente: ver que es un circuito de 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 tiristor no conduce.
Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene
así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0
Voltios.
Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor 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.
El funcionamiento de este circuito es el siguiente: La conducción se va a producir
entre el ánodo y el cátodo, después de darle un impulso de tensión positivo en la
puerta G. Para que el tiristor entre en conducción, tienen que cumplirse dos
condiciones: - Que este polarizado directamente (tensión ánodo-cátodo positiva,
es decir , más tensión en el ánodo que en el cátodo).- Aplicar un impulso de
tensión positivo o una corriente entrante en la puerta.
El acoplo entre los dos transistores que integran el tiristor produce una
realimentación positiva, puesto que la corriente de salida de cada uno es la de
entrada del otro, y si ambos semiconductores disponen de una ganancia de
corriente superior a la unidad, rápidamente cada transistor llevará al otro a la
saturación, produciéndose una corriente máxima cuyo valor no estará controlado
por el tiristor, sino por la carga exterior que alimenta. El cebado del tiristor o la
saturación de los transistores que lo forman se consigue cuando se vence la
polarización inversa de la unión N-P interna, para lo cual es preciso aplicar un
impulso adecuado, y en este caso positivo, a la zona P desde el exterior y a través
de la puerta.
Cuando el impulso positivo aplicado a la puerta del tiristor satura los dos
transistores que contiene, este semiconductor se comporta prácticamente como
un interruptor cerrado, absorbiendo únicamente entre su cátodo y su ánodo una
pequeña tensión, que oscila alrededor de 1 V, la cual mantiene en saturación a los
transistores.
Misión de la puerta:
La misión de la puerta es polarizar y adelantar el momento de disparo, es decir de
la puesta en conducción, pero después de esto ya no tiene ninguna función
excepto en unos tiristores especiales llamados GTO que son disparables y
bloqueables por puerta. Es importante destacar las características que deben
tener
los impulsos de encendido aplicados al tiristor. Los fabricantes suministran para
ello unas curvas denominadas características de puerta. La del tiristor se asemeja
a la de un diodo semiconductor al que se le han permutado los ejes, siendo lógica
esta analogía, puesto que la unión puerta-cátodo es una unión P-N.
Debido a que no todos los tiristores, aún siendo del mismo tipo tienen la misma
característica de puerta, es habitual que el fabricante incluya una familia de curvas
o límites de las mismas en las especificaciones técnicas de los tiristores, de
manera que el usuario pueda hacerlos operar en el margen de disparo o
encendido adecuado. En la siguiente gráfica se representa los límites de curvas
posibles fijados entre A y B. El disparo se debe efectuar dentro de la zona acotada
por dichas curvas pero considerando los valores de :
-Tensión y corriente mínima, para producir el encendido de todos los elementos de
la familia.
-Tensión directa máxima admisible de los impulsos de encendido.
-Potencia máxima que puede disipar la unión de puerta.
Todas esta limitaciones están incluidas en los límites y zonas representadas en al
gráfica:
-La zona S es la zona de encendido probable para cualquier tiristor de la familia,
pero no es seguro.
-La zona S es la zona de encendido seguro, garantiza el encendido de cualquier
tiristor de la familia.
Métodos de poner en conducción el tiristor:
Hay varios modos de poner el tiristor en conducción:
- Sin intensidad de puerta, cuando la tensión ánodo-cátodo es mayor que la
tensión de bloqueo. Vak > Vbo , Ig = 0
- Cuando la tensión ánodo-cátodo supera el gradiente de tensión Vak >
- Cuando la tensión ánodo-cátodo es menor que la tensión de bloqueo, y
aplicamos una intensidad en la puerta. Vak < Vbo , Ig > 0
- Cuando el tiristor es un fototiristor, por la luz.
Métodos de bloquear el tiristor:
También hay varios modos de bloquear el tiristor:
- Cuando la tensión ánodo-cátodo cambia de polaridad, es decir Vak se polariza
inversamente.
- Cuando se abre el circuito. Vak = 0
- Cuando la intensidad disminuye por debajo de un valor determinado. Vak <
Tensión de mantenimiento.
- Aplicando una tensión inversa durante un corto período de tiempo Vak < 0
CARACTERÍSTICAS GENERALES.
• Interruptor casi ideal.
• Soporta tensiones altas.
• Amplificador eficaz.
• Es capaz de controlar grandes potencias.
• Fácil controlabilidad.
• Relativa rapidez.
• Características en función de situaciones pasadas (memoria).
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.
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 .............................................: VRWM
- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM
- Tensión directa ...........................................................................: VT
- Corriente directa media ...............................................................:: ITAV
- Corriente directa eficaz .................................................................: ITRMS
- Corriente directa de fugas ............................................................: IDRM
- Corriente inversa de fugas ............................................................: IRRM
- Corriente de mantenimiento ..........................................................: IH
Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:
- Temperatura de la unión ................................................................: Tj
- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg
- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: Rc-d
- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: Rj-c
- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: Rj-a
- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Zj-c
CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.
Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de
mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las
siguientes características:
-Tensión directa máx. ....................................................................: VGFM
- Tensión inversa máx. ...................................................................: VGRM
- Corriente máxima..........................................................................: IGM
- Potencia máxima ..........................................................................: PGM
- Potencia media ..............................................................................: PGAV
- Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: VGT
- Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: VGNT
- Corriente de puerta para el encendido ...........................................: IGT
- Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: IGNT
Entre los anteriores destacan:
- VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.
- VGNT e IGNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en
condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de
modo indeseado.
Área de disparo seguro.
En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las
tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona
formada por las curvas:
• Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de
la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.
• Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.
• Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemos
sobrepasar.
Figura Curva características de puerta del tiristor.
El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes
puntos:

Una caída de tensión en sentido directo más elevada.

Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.
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 (VRSM) 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
(Figura
4).
- 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.
Figura 4. Curva de limitación de impulsos de corriente.
• Ángulos de conducción:
- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.
- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.
- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de
conducción (Figura 5):
ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo
- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de
conducción podremos calcular las protecciones necesarias.
Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.
Características de conmutación.
Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte
a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho.
Tiempo de encendido
(
T
)
on
:
Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos
partes (Figura 6):
• Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el
50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo.
Depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (td
disminuye si estas magnitudes aumentan).
• Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al
90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de
su valor inicial.
Ton = td + tr
Figura 6. Tiempo de encendido.
Tiempo de apagado
(
T
off
)
:
Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos
partes (Figura 7):
• Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la
conducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.
• Tiempo de recuperación de puerta (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo,
las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta
recupere su capacidad de gobierno.
Toff = trr + tgr
Figura 7. Tiempo de apagado.
La extinción del tiristor se producirá por dos motivos: reducción de la corriente de
ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de
ánodo.
CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.
Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de
energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este
aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez
provoca un aumento de la temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor que
debe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.
MÉTODOS DE DISPARO.
Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe
estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente
larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que
IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vez
disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de
valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.
Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:
- Por puerta.
- Por módulo de tensión.
- Por gradiente de tensión (dV/dt)
- Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura.
El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y
gradiente de tensión son modos no deseados.
DISPARO POR PUERTA.
Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en
la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales
de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y
cátodo.
Figura 8. Circuito de control por puerta de un SCR.
- El valor requerido de VT necesario para disparar el SCR es:
VT = VG + IG × R
- R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de
potencia para obtener la máxima seguridad en el disparo (Figura 9).
R = VFG / IFG
Figura 9. Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia.
DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.
Es el debido al mecanismo de multiplicación por avalancha. Esta forma de disparo
no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma
fortuita provocada por sobre tensiones anormales en los equipos electrónicos.
DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN.
Una subida brusca del potencial de ánodo en el sentido directo de conducción
provoca el disparo. Este caso más que un método, se considera un inconveniente.
Figura 10. Zona de disparo por gradiente de tensión.
DISPARO POR RADIACIÓN.
Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz del
elemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.
DISPARO POR TEMPERATURA.
El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco
generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (1+2) tiende rápidamente a la
unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un
cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.
CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.
Para el control en el disparo:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.
- En el momento del disparo Iak > IL.
Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión Vak.
- Incrementamos RL hasta que Iak< IH.
LIMITACIONES DEL TIRISTOR.
LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO.
- La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.
- El límite es atribuible a la duración del proceso de apertura y cierre del dispositivo.
- La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.
LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIÓN dV/dt.
"dV/dt" es el valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo del cual no se
producen picos transitorios de tensión de corta duración, gran amplitud y elevada velocidad
de crecimiento.
a) Causas:
- La alimentación principal produce transitorios difíciles de prever en aparición, duración
(inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.
- Los contactores entre la alimentación de tensión y el equipo: cuya apertura y cierre
pueden producir transitorios de elevada relación dV/dt (hasta 1.000 V/µs) produciendo el
basculamiento del dispositivo.
- La conmutación de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de tensión.
b) Efectos:
- Puede provocar el cebado del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.
- La dV/dt admisible varia con la temperatura.
LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD dI/dt.
"dI/dt" es el valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no
se producen puntos calientes.
a) Causas:
- Durante el cebado, la zona de conducción se reduce a una parte del cátodo cerca de la
puerta, si el circuito exterior impone un crecimiento rápido de la intensidad, en esta zona la
densidad de corriente puede alcanzar un gran valor.
- Como el cristal no es homogéneo, existen zonas donde la densidad de Intensidad es mayor
(puntos calientes).
b) Efectos:
- En la conmutación de bloqueo a conducción la potencia instantánea puede alcanzar
valores muy altos.
- La energía disipada producirá un calentamiento que, de alcanzar el límite térmico crítico,
podría destruir el dispositivo.
PROTECCIONES CONTRA dV/dt Y dI/dt.
Solución: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie. Calculo:
método de la constante de tiempo y método de la resonancia.
Figura 11. Circuito de protección contra dV/dt y dI/dt.
Método de la constante de tiempo.
• Cálculo de R y C:
1.
Se calcula el valor mínimo de la constante de tiempo ζ de la dV/dt del
dispositivo y el valor de R y C:
ζ = ( 0,63 × VDRM ) / ( dV/dt )mín
C = ζ / RL
Rs = VA(máx) / ( ITSM - IL ) × Γ
donde:
VDRM = tensión de pico repetitiva de bloqueo directo.
IL = corriente en la carga.
RL = resistencia de carga.
ITSM = corriente directa de pico no repetitiva.
VA(máx) = tensión de ánodo máxima.
Γ = coeficiente de seguridad (de 0,4 a 0,1).
2.
Hallamos el valor de Rmín que asegura la no superación de la dI/dt máxima
especificada (a partir de la ecuación de descarga de C):
R mín = ( VA(máx) / ( dI /dt ) × C )
½
• Cálculo de L:
L = VA(máx) / ( dI / dt)
Método de la resonancia.
- Elegimos R, L y C para entrar en resonancia.
El valor de la frecuencia es:
f = (dV / dt ) / 2 VA (máx)
En resonancia:
½
f = 1 / 2 (LC)
 C = 1 / ( 2f L
El valor de L es el que más nos interese, normalmente: L= 50 µH.
½
El valor de R será:
Rs = (L / C)
LIMITACIONES DE LA TEMPERATURA.
En los semiconductores de potencia, se producen pérdidas durante el
funcionamiento que se traducen en un calentamiento del dispositivo.
Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son repetitivos, la
potencia media disipada en un tiristor será:
La potencia disipada en los tiristores durante la conducción, es mucho mayor
que la disipada durante el bloqueo y que la potencia disipada en la unión puerta cátodo. Podemos decir que las pérdidas con una tensión de alimentación dada y
una carga fija, aumentan con el ángulo de conducción (α).
Si la conducción se inicia en t1 y termina en t2, la potencia media de perdidas
será:
Si representamos la VAK en función de la IA, tendremos la siguiente relación:
VAK = V0 + IA × R
V0 y R son valores aproximadamente constantes para una determinada familia
de tiristores y para una determinada temperatura de la unión. En éste caso nos
encontraremos dentro de la zona directa de la curva característica (Figura 12).
Figura 12.
Operando con las ecuaciones anteriores:
PAV = V0 × IA(AV) + R × ( IA(RMS))2
Esta ecuación se encuentra representada mediante curvas para distintas formas
de onda (sinusoidal, rectangular,...) y para distintos ángulos de conducción en la
figura siguiente.
La potencia que se disipa, depende del valor medio de la corriente y del valor
eficaz, entonces dependerá del factor de forma:
a = f = IA(RMS) / IA(AV)
Figura 13.
Una vez elegido el tiristor y teniendo en cuenta los parámetros más importantes
como son la potencia total disipada y temperatura, y calculada también la potencia media
que disipa el elemento en el caso más desfavorable, procederemos a calcular el disipador o
radiador más apropiado para poder evacuar el calor generado por el elemento
semiconductor al medio ambiente.
EXTINCIÓN DEL TIRISTOR. TIPOS DE CONMUTACIÓN.
Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor
que estaba en conducción a pasar a corte. En el momento en que un tiristor empieza a
conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.
El tiristor debe presentar en el tiempo ciertas condiciones para pasar de nuevo a
corte. Este estado implica simultáneamente dos cosas:
1. La corriente que circula por el dispositivo debe quedar completamente bloqueada.
2. La aplicación de una tensión positiva entre ánodo y cátodo no debe provocar un disparo
indeseado del tiristor.
Existen diversas formas de conmutar un tiristor, sin embargo podemos agruparlos
en dos grandes grupos:
CONMUTACIÓN NATURAL.
a) Libre.
b) Asistida.
CONMUTACIÓN FORZADA.
a) Por contacto mecánico.
b) Por circuito resonante.
-Serie
-Paralelo
c) Por carga de condensador.
d) Por tiristor auxiliar.
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.
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.
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.