electronica de potencia: tiristores

ELECTRONICA DE POTENCIA: TIRISTORES
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que
se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de
bajo consumo de potencia.
La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la
función que efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la
corriente a través de ella. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre
corte y saturación, los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y
conducción.
Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este tutorial los tipos más significativos:
Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS
(Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.
1 EL DIODO SHOCKLEY
El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por
cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor:
está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra
y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por
debajo de un valor específico (IH).
Figura 1: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley
1.1 CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD
Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, sólo habrá una corriente
muy pequeña hasta que se alcance la tensión de ruptura (VRB).
Figura 2: Característica I-V del diodo Shockley
En polarización positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de
tensión VB0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión
disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la práctica, por
los componentes externos. La conducción continuará hasta que de algún modo la corriente
se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento IH.
La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene un límite
impuesto por el propio componente (IMAX), que si se supera llevará a la destrucción del
mismo. Por esta razón, será necesario diseñar el circuito en el que se instale este
componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parámetro que al
superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es VRB, ya que provocaría un fenómeno
de avalancha similar al de un diodo convencional.
1.2 EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSION
En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de conducción de
10 V. Por tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir, de 9 V, el diodo está abierto,
no circula corriente por él y la lámpara estará apagada. Pero si la tensión de la fuente
supera, por una falla en su funcionamiento una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación
y la lámpara se enciende. Permanecerá encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensión
vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido una falla. La única forma de apagar
la lámpara sería desconectar la alimentación.
Figura 3: Detector de sobretensión
2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)
El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia
de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley,
presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.
Figura 4: Construcción básica y símbolo del SCR
2.1 CARACTERISTICA TENSION INTENSIDAD
Tal y como se aprecia en la Figura 5, la parte de polarización inversa de la curva es análoga
a la del diodo Shockley.
Figura 5: Característica del SCR
En cuanto a la parte de polarización positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un
pulso de tensión en el terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo y
cátodo cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rápidamente, quedando
limitada en la práctica por componentes externos.
Podemos ver en la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán la destrucción
del SCR si se superan: VRB e IMAX. VRB (Reverse Breakdown Voltage) es, al igual que en el
diodo Shockley, la tensión a partir de la cual se produce el fenómeno de avalancha. IMAX es
la corriente máxima que puede soportar el SCR sin sufrir daño. Los otros dos valores
importantes son la tensión de cebado VBO (Forward Breakover Voltage) y la corriente de
mantenimiento IH, magnitudes análogas a las explicadas para el diodo Shockley.
2.2 METODOS DE CONMUTACION
Para que el dispositivo interrumpa la conducción de la corriente que circula a través del
mismo, ésta debe disminuir por debajo del valor IH (corriente de mantenimiento). Hay dos
métodos básicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupción de corriente anódica
y conmutación forzada. Ambos métodos se presentan en las figuras Figura 6 y Figura 7.
Figura 6: Apertura del SCR mediante interrupción de la corriente anódica
En la Figura 6 se observa cómo la corriente anódica puede ser cortada mediante un
interruptor bien en serie (figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). El
interruptor en serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR deje de
conducir. El interruptor en paralelo desvía parte de la corriente del SCR, reduciéndola a un
valor menor que IH.
En el método de conmutación forzada, que aparece en la Figura 7, se introduce una
corriente opuesta a la conducción en el SCR. Esto se realiza cerrando un interruptor que
conecta una batería en paralelo al circuito.
Figura 7: Desconexión del SCR mediante conmutación forzada
2.3 APLICACIONES DEL SCR
Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en
reguladores (dimmer) de lámparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos.
En la Figura 8 se muestra un circuito de control de fase de media onda y resistencia
variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 V (AC). RL representa la resistencia de
la carga (por ejemplo un elemento calefactor o el filamento de una lámpara). R1 es una
resistencia limitadora de la corriente y R2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo
para el SCR. Mediante el ajuste del mismo, el SCR se puede disparar en cualquier punto del
ciclo positivo de la onda en alterna entre 0 y 180º, como se aprecia en la Figura 8.
Figura 8: (a) Conducción durante 180º (b) Conducción durante 90º
Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), como en la
Figura 8 (a), conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima potencia a la
carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 8 (b), el
SCR conduce durante aproximadamente 90º y se transmite menos potencia a la carga.
Mediante el ajuste de RX, el disparo puede retardarse, transmitiendo así una cantidad
variable de potencia a la carga.
Cuando la entrada en AC es negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez hasta el
siguiente disparo durante el ciclo positivo. Es necesario repetir el disparo en cada ciclo
como se ilustra en la Figura 9. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC
sea aplicado a la gate del SCR.
Figura 9: Disparos cíclicos para control de potencia
3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH)
Este dispositivo es similar al SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el
paso de corriente con una señal en el terminal de gate.
Igual que el SCR, no permitirá el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en
el terminal de puerta. La diferencia se encuentra en que el GCS puede pasar al estado de
corte mediante un pulso negativo 10 ó 20 veces mayor que el pulso positivo aplicado para
entrar en conducción.
Figura 10: Símbolo del GCS
Los GCS están diseñados para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas
pocas decenas de amperios.
4 SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH)
Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales
de puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en
rangos de potencia menores que el SCR.
Figura 11: Símbolo del SCS
El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este último tiene la ventaja de poder
abrirse más rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el
inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a
valores de tensión y corriente. También se utiliza en aplicaciones digitales como contadores
y circuitos temporizadores.
5 EL DIAC
Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos
terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos
opuestos.
Figura 12: Construcción básica y símbolo del diac
La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona
como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.
Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que
hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes
izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser
simétricas.
Figura 13: Característica V-I del diac
6 EL TRIAC
Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate). Se puede
disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje VBO como
el diac.
Figura 14: Construcción básica y símbolo del TRIAC.
En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas
corrientes aplicadas en gate, el valor de VBO es distinto. En la parte de polarización positiva,
la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de VBO más bajo, y es la que
mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir,
como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor IH.
Figura 15: Característica V-I del triac
Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El
triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga
durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede
disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente
en la carga puede circular en los dos sentidos.
Figura 16 Control básico de potencia con un Triac
7 RESUMEN
Como resumen final del tema se reflejan en una tabla las características más importantes de
los tiristores que se han presentado.
TIRISTOR UNIDIRECCIONAL BIDIRECCIONAL
SHOCKLEY
SCR
GCS
SCS
DIAC
TRIAC
X
X
X
X
X
X
1
2
0
ON/OFF
GATE GATE GATE
X
X
X
X
X
X
X
X
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