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GUÍA TÉCNICA INFORMATIVA Nro.3 2017

Rectificador Controlado de Silicio (SCR) ¿Cuáles son las principales aplicaciones de los SCR? ¿Qué es un SCR? El rectificador controlado de silicio SCR –Silicon Controlled Rectifier-, es un dispositivo de estado sólido tipo semiconductor que conduce la corriente eléctrica en su estado de encendido y la bloquea en su estado de apagado. El SCR dispone de tres terminales: Ánodo, Cátodo y Puerta, la conducción de la corriente entre Ánodo y Cátodo es controlada a través del terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. Estructura El tiristor (SCR), está formado por cuatro capas semiconductoras P y N. Estas cuatro capas forman 3 uniones PN: U1 (P1-N1), U2 (N1-P2) y U3 (P2-N2), que se corresponden con 3 diodos. El comportamiento de estos diodos no es independiente, ya que hay capas comunes entre ellos, y por tanto habrá interacciones que determinan el comportamiento final.

Comparado con el diodo semiconductor, el SCR controla la entrada en conducción de la corriente eléctrica entre los terminales ánodo al cátodo por medio de un pulso de cebado aplicado en el terminal de puerta (G)

En la figura siguiente se observan: El símbolo electrónico del SCR y dos de las diferentes estructuras de ensamble, de acuerdo con capacidad de corriente de maniobra.

Funcionamiento del SCR El SCR es un dispositivo rectificador de la familia de los tiristores, sólo permite la circulación de corriente eléctrica en la dirección ánodo-cátodo cuando se hace efectivo el pulso de cebado o disparo aplicado en la puerta. En el caso típico de rectificación la tensión alterna CA, monofásica o trifásica, el SCR sólo conduce durante los semiciclos positivos de la señal de voltaje. El SCR entra en estado de conducción cuando la tensión entre el ánodo y el cátodo es positiva y se aplica el pulso de disparo en la puerta; el SCR se apaga en forma natural, cuando la corriente entre los dos terminales principales cae por debajo de la corriente de mantenimiento especificada por el fabricante. Cuando el SCR está encendido el voltaje ánodocátodo es del orden de 1 voltio y cuando está apagado se somete a una tensión inversa cuyo valor máximo no debe superar la tensión de ruptura para evitar que entre en avalancha y se destruya. El SCR también está apagado con tensión positiva entre ánodo y cátodo si no sea aplica el pulso de cebado. Curva característica En la siguiente figura se presenta la curva de característica ideal del SCR, en la cual se aprecian tres zonas.

Zona 1: VAK positiva (ánodo con mayor potencial que cátodo). La IA (intensidad de ánodo) puede seguir siendo nula. El dispositivo se comporta como un circuito abierto (se encuentra en estado de bloqueo directo). En esta condición la tensión ánodo-cátodo no debe superar el voltaje de ruptura directo especificado por el fabricante.

Zona 2: VAK positiva. En este instante se introduce una señal de mando por la puerta que hace que el dispositivo bascule del estado de bloqueo al estado de conducción, circulando una IA por el dispositivo, intensidad que estará limitada sólo por el circuito exterior y la cual no debe superar la corriente máxima establecida por el fabricante. El elemento está en estado de conducción. El paso de conducción a corte se hace polarizando la unión ánodo - cátodo en sentido inverso provocando que la intensidad principal que circula se haga menor que la corriente de mantenimiento (IH). Zona 3: VAK negativa. La IA es nula, por lo que el dispositivo equivale a un circuito abierto, encontrándose en estado de bloqueo inverso. La magnitud de la tensión no debe superar el voltaje de pico inverso de los datos del fabricante para el dispositivo. Nomenclatura de los SCR La nomenclatura utilizada para distinguir los diferentes parámetros, está compuesta por la magnitud (V) para la tensión, (I) para la intensidad y (P) para la potencia, seguido de diferentes subíndices que describen rangos y parámetros del elemento. Los subíndices se desglosan en la siguiente tabla.

Magnitud V (V), (I), (P)

1 D F (Directo) D (Bloqueo directo) T (Estado de conducción) R (Bloqueo inverso)

Subíndice 2 R R (Valor repetitivo) W (Estado de trabajo o estado normal de funcionamiento) S (Valor no repetitivo)

3 M M (Valor máximo o pico) RMS (Valor eficaz)

AV (Valor medio)

Principales parámetros VDRM Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo directo. (Repetitive peak off-state voltage). Expresa el valor máximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que no hay conmutación, con la puerta en circuito abierto. VDSM Tensión de pico no repetitivo en estado de bloqueo directo. (Non -repetitive peak off state voltage). Valor máximo de tensión en sentido directo que se puede aplicar durante un determinado periodo de tiempo con la puerta abierta sin provocar el disparo. IL Corriente de enganche. (Latching current). Corriente de ánodo mínima que hace bascular al tiristor del estado de bloqueo al estado de conducción. IH Corriente de mantenimiento. (Holding current). Mínima corriente de ánodo que conserva al tiristor en su estado de conducción. PGM Potencia de pico disipada en la puerta. (Peak gate power dissipation). Potencia máxima disipada en la unión puerta-cátodo, en el caso de que apliquemos una señal de disparo no continua.

VGT Tensión de disparo de puerta. (Tensión de encendido). (Gate voltage to trigger). Tensión de puerta que asegura el disparo con tensión ánodo - cátodo en directo. IGT Corriente de disparo de puerta. (Gate current to trigger). Corriente de puerta que asegura el disparo con un determinado voltaje de ánodo. DV/DT Valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo de la cual no se produce el cebado sin señal de puerta. DI/DT Valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no se producen puntos calientes. Modos de disparo Se pueden deducir varios modos de disparo para el SCR. Por tensión suficientemente elevada aplicada entre A – K, lo que provoca que el tiristor entre en conducción por efecto de "avalancha", tanto en forma directa como en forma inversa (Efecto no deseado). Requiere circuitería adicional para evitar que este disparo. Por cambio súbito de la tensión A-K (Efecto no deseado) Requiere un circuito adicional para evitar este disparo. Por intensidad positiva de polarización en la puerta. Disparo deseado para efectos de control Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. EL SCR es un dispositivo que además de la circuitería externa requerida para su protección y funcionamiento seguro, consume energía la cual se manifiesta en forma de calor que requiere disiparse para evitar el calentamiento de la juntura y su destrucción. En aplicaciones de alta potencia los SCR incluyen disipadores de calor para ayudar a extraer el calor de la carcasa al medio ambiente. En algunos casos se utiliza enfriamiento forzado.

Disparo del SCR por corriente directa En el grafico se observa una aplicación sencilla del SCR en corriente continua. El tiristor se comporta como un circuito abierto hasta que se activa su compuerta haciendo llegar una pequeña corriente a través del interruptor, al proporcionar el pulso el tiristor entra en estado de conducción encendiendo la carga (Led 2). En el disparo por corriente continua no se necesita ninguna señal adicional para retener la conducción del tiristor. Una vez activo el tiristor, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (IA) sea mayor que la corriente de mantenimiento (IH). Normalmente la compuerta (G) no tiene control sobre el tiristor una vez que este está conduciendo. Opciones para desactivar el tiristor:   

Se abre el circuitos del ánodo (corriente IA = 0) Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de tensión mayor que el del ánodo) Se deriva la corriente del ánodo IA, de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento IH.

Disparo del SCR por corriente alterna Para ver el comportamiento del tiristor SCR en alterna, se utilizará el circuito que se muestra en la imagen, donde RL representa la carga que será conectada al SCR, a través de la cual circulará una corriente IL cuando el tiristor se active mediante una señal que le llegue a su compuerta. La corriente IL tiene que ser menor que la corriente máxima que puede soportar el SCR entre su ánodo y su cátodo cuando este entre en conducción o se active, este valor se puede encontrar en la hoja de datos de tiristor SCR que se utilice como IRMS. RG es una resistencia que limitará la corriente que llegará a la compuerta, para realizar el cálculo de la resistencia que garantice que el tiristor SCR se activará, se aplicará la ley de kirchoff en la malla de la compuerta, para esto será necesario conocer la corriente de disparó IGT, así como su tensión de disparo VGT del SCR, estos valores se pueden obtener de la hoja de datos del tiristor SCR que se utilice, VS la fuente de tensión alterna que se utilizará para el ejemplo del comportamiento del tiristor SCR en alterna. 𝑅𝐺 = (𝑉𝑠 − 𝑉𝑔𝑡)/𝐼𝑔𝑡

El disparo de este dispositivo en corriente alterna es diferente al de corriente directa debido a las variaciones en su forma de onda, el SCR interrumpe su conducción cuando el voltaje pasa por cero voltios, por lo que debe ser re disparado. Una característica especial es que cuando se polariza en inversa no conduce aunque reciba pulsos en la compuerta ya que está diseñado para trabajar en forma unidireccional. Cabe mencionar que el SCR será disparado únicamente en el semiciclo positivo, cuando hace el cambio hacia el semiciclo negativo debe pasar por cero voltios lo cual disminuye la corriente de mantenimiento y lo desactiva. Ejemplo de un módulo tiristor 1400V/160A