Centro de Enseñanza Técnica Industrial

SCR

 

 

 

El tiristor (SCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados Anodo, Cátodo y Puerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. 

 

 

 

 

1.- VAK positiva. El dispositivo se comporta como un circuito abierto.

2.- VAK positiva. El elemento está en estado de conducción.

3.- VAK negativa. El dispositivo equivale a un cto. abierto.

 

 

VDWM = Tensión máx. directa de trabajo

VDRM = Valor máx. de voltaje repetitivo directo.

VRRM = Valor máx. de voltaje repetitivo inverso.

VT = Caída de tensión de trabajo

IT = Intensidad de trabajo

IH = Intensidad de mantenimiento

IDRM = Intensidad directa en estado de bloqueo. (Intensidad de fugas)

IRRM = Intensidad inversa en estado de bloqueo. (Intensidad de fugas)

IL = Intensidad de enganche

 

 

 

 

 

 

En la fabricación se emplean técnicas de difusión y crecimiento epitaxial. El material básico es el Si. En la figura están representados algunos tipos de encapsulado

 

 

 

Principio de Funcionamiento

Tensión de ánodo negativa respecto a cátodo (VAK < 0):

Los diodos U1 y U3 quedan polarizados en inverso y U2 en directo. La corriente del diodo viene dada por:

   
   
 

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 largo 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. (V)
  • 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, por lo que los evitaremos en la medida de lo posible.

 

 
  • 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.

Una vez disparado el dispositivo, perdemos el control del mismo por puerta. En estas condiciones, si queremos bloquearlo, debemos hacer que VAK < VH y que IA < IH

 
 

  • Disparo por módulo de tensión

Este método podemos desarrollarlo basándonos en la estructura de un transistor: si aumentamos la tensión colector - emisor, alcanzamos un punto en el que la energía de los portadores asociados a la corriente de fugas es suficiente para producir nuevos portadores en la unión de colector, que hacen que se produzca el fenómeno de avalancha. N

Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobretensiones anormales en los equipos electrónicos.

 
 

  • Disparo por gradiente de tensión

Si a un tiristor se le aplica un escalón de tensión positiva entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto, los portadores sufren un desplazamiento para hacer frente a la tensión exterior aplicada. La unión de control queda vacía de portadores mayoritarios; aparece una diferencia de potencial elevada, que se opone a la tensión exterior creando un campo eléctrico que acelera fuertemente a los portadores minoritarios produciendo una corriente de fugas.

 
 

  • Disparo por radiación

La acción de la radiación electromagnética de una determinada longitud de onda provoca la elevación de la corriente de fugas de la pastilla por encima del valor crítico, obligando al disparo del elemento.

Los tiristores fotosensibles (llamados LASCR o Light Activated SCR) son de pequeña potencia y se utilizan como elementos de control todo - nada.

 
 

  • Disparo por temperatura

El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a 1+a 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

Disparo

  • Polarización positiva ánodo - cátodo.
  • La puerta debe recibir un pulso positivo (respecto a la polarización que en ese momento tengamos en el cátodo) durante un tiempo suficiente como para que IA sea mayor que la intensidad de enganche.

Corte

  • Anular la tensión que tenemos aplicada entre ánodo y cátodo.
  • Incrementar la resistencia de carga hasta que la corriente de ánodo sea inferior a la corriente de mantenimiento (IH), o forzar a que IA < IH.
 
 
 
   

 

Tensión de ánodo positiva respecto a cátodo (VAK > 0), con excitación de puerta:

El tiristor, idealmente, se comporta como un cortocircuito (VAK del orden de 1 a 2 V).

Modelo de dos transistores:

 

 

 

 

 

Si ahora operamos en el circuito de forma que la suma ((a 1+ a 2) sea menor que 1, el dispositivo estará en estado OFF, manteniéndose la IA muy pequeña.

Si aumentamos IG, la corriente de ánodo tiende a incrementarse y por tanto, tiende a aumentar a 1 y a 2 produciéndose un efecto de realimentación positiva. De aquí podemos deducir los dos tipos de disparo del SCR:

1.- Por tensión suficientemente elevada aplicada entre A – K, lo que provocaría que éste entrara en conducción por efecto de "avalancha";

2.- Por intensidad positiva de polarización en la puerta.

Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas.

 

Características:

  • Interruptor casi ideal.
  • Amplificador eficaz (peq. señal de puerta produce gran señal A – K).
  • Fácil controlabilidad.
  • Características en función de situaciones pasadas (Memoria).
  • Soporta altas tensiones.
  • Capacidad para controlar grandes potencias.
  • Relativa rapidez.

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: VRWM, VDRM, VT, ITAV, ITRMS, IFD, IR, Tj, IH.

 

 

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.

 

Características de control:

Determinan la naturaleza del cto de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.

Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VGFM, VGRM, IGM, PGM, PGAV, VGT, VGNT, IGT, 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.

 Características dinámicas:

Tensiones Transitorias

Son valores de tensión que van superpuestos a la señal sinusoidal de la fuente de alimentación. Son de escasa duración, pero de amplitud considerable.

 

 

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.

Construcción de la curva característica de puerta:

La unión puerta – cátodo se comporta como un diodo, por lo que representamos la característica directa de dicho diodo. Para una misma familia de tiristores existe una gran dispersión. Para no complicar demasiado el proceso, se dibujan únicamente las dos curvas extremas, puesto que todas las demás quedan comprendidas entre ambas.

Análisis gráfico del concepto de disipación máxima.

 

 

Para ello tomamos un tiristor típico con los valores nominales y las características de puerta siguientes:

VRGM max= 5V

PGAV max= 0.5W

PGM max = 5W

VGT > 3.5V

IGT > 65mA

 

 Tensión insuficiente para disparar ningún elemento < 0.25V.

     

 

Angulo de Conducción

La corriente y la tensión media de un tiristor variarán en función del instante en el que se produzca el disparo, es decir, todo va a depender del ángulo de conducción. La potencia entregada y la potencia consumida por el dispositivo, también dependerán de él:

 

cuanto mayor sea éste, mayor potencia tendremos a la salida del tiristor

Cuanto mayor es el ángulo disparo, menor es el de conducción:

180º = Áng conducción + Áng disparo

 
   
 

Características de conmutación:

Los tiristores necesitan un tiempo para pasar de bloqueo a conducción y viceversa. Para frecuencias inferiores a 400Hz podemos ignorar estos efectos. En la mayoría de las aplicaciones se requiere una conmutación más rápida, por lo que éste tiempo debe tenerse en cuenta.

A.- Tiempo de Encendido (tON)

El tiempo de encendido (paso de corte a conducción) tON, lo dividimos en dos partes:

1.- Tiempo de retardo. (td)

2.- Tiempo de subida. (tr)

1.- TIEMPO DE RETARDO O PRE-CONDICIONAMIENTO

Es el que transcurre desde que el flanco de ataque de la corriente de puerta alcanza el 50% de su valor final, hasta que IA alcanza el 10% de su valor máximo para una carga resistiva.

 
 

2.- TIEMPO DE SUBIDA

Es el tiempo necesario para que IA pase del 10% al 90% de su valor máximo para una carga resistiva. Podríamos también considerar el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90% al 10% de su valor inicial.

La amplitud de la señal de puerta y el gradiente de la corriente de ánodo, juegan un papel importante en la duración del tr que aumenta con los parámetros anteriores.

El tiempo de cebado (encendido), debe ser lo suficientemente corto, como para no ofrecer dificultades en aplicaciones de baja y de mediana frecuencia.

 
 

Conclusiones:

Si en t1, descebamos el tiristor, la corriente disminuye siguiendo la pendiente dI/dt. La tensión en el tiristor (que era VA) disminuye ligeramente.

   
 

Una solución muy utilizada en la práctica es conectar en paralelo con el tiristor un cto RC (Red SNUBBER), para evitar variaciones bruscas de tensión en los extremos del semiconductor:

Puede presentarse un inconveniente: la energía disipada en la resistencia snubber sea elevada si esta resistencia es muy pequeña. Debemos llegar a una solución de compromiso que nos permita limitar el valor de dV/dt.