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Informe:El SCR en DC y AC. Cindy Juliana Ochoa, Juan David Pira Roa, Manuel Octavio Acevedo Iles {cijochoafo, jdpirar, moacevedoi}@unal.edu.co

Keywords— Tiristores, SCR, Corriente de mantenimiento, Activaci´on termica. Abstract—The following report contains the results of the voltage and current for the operation of a SCR in the direct current, as well as for the direct current, the mode of operation and the comparison with the results in the theory and the simulations.

Resumen: El siguiente informe contiene los resultados de tensi´on y corriente obtenidos para el funcionamiento de un SCR en corriente continua, as´ı como para corriente directa, comprendiendo as´ı su modo de operaci´on y compar´andolo con los resultados obtenidos durante la teor´ıa y las simulaciones. ´ I. I NTRODUCCI ON En el siguiente informe se presentan el an´alisis del comportamiento del tiristor SCR tanto para corriente continua, as´ı como para corriente alterna, en primer lugar se presenta una introducci´on te´orica para un mejor entendimiento del informe, posteriormente se presentan los resultados obtenidos para las simulaciones de los montajes utilizados, esto mediante las formas de onda obtenidas. Por ultimo se presentan los resultados obtenidos, esto mediante el an´alisis de las diferentes formas de onda, as´ı como de los valores de tensi´on obtenidos en la misma, adem´as se hace una comparaci´on tanto de la te´orica, como de los resultados obtenidos durante las simulaciones y la practica, esto con el fin de comprender las diferencias que se presentan en el comportamiento de los SCR a la hora de implementar los circuitos en la vida real.

Cuando el voltaje del a´ nodo se hace positivo con respecto al c´atodo, las uniones J1 y J3 tienen polarizaci´on directa o positiva. La uni´on J2 tiene polarizaci´on inversa, y s´olo fluir´a una peque˜na corriente de fuga del a´ nodo al c´atodo. Se dice entonces que el tiristor est´a en condici´on de bloqueo directo o en estado desactivado llam´andose a la corriente de fuga corriente de estado inactivo ID . Si el voltaje a´ nodo a c´atodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la uni´on J2 polarizada inversamente entrar´a 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 polarizaci´on directa, habr´a un movimiento libre de portadores a trav´es de las tres uniones, que provocar´a una gran corriente directa del a´ nodo. Se dice entonces que el dispositivo est´a en estado de conducci´on o activado. La ca´ıda de voltaje se deber´a a a ca´ıda o´ hmica de las cuatro capas y ser´a peque˜na, por lo com´un 1V. En el estado activo, la corriente del a´ nodo est´a limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL , tal como se muestra en la figura 2.

´ II. M ARCO TE ORICO A. Tiristores Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn. Tiene tres terminales: a´ nodo, c´atodo y compuerta. En la figura 1 se muestra el s´ımbolo del tiristor ´ y una secci´on recta de tres uniones pn. Estos elementos se fabrican por difusi´on.

Figure 1: S´ımbolo de tiristor y uniones pn. [?]

Figure 2: Modelo del tiristor como diodo en serie con resistencia. [?] La corriente de a´ nodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL , a fin de mantener la cantidad requeria de flujo de portadores a trav´es de la uni´on; de lo contrario, al reducirse el voltaje del a´ nodo a c´atodo, el dispotivio regresar´a a la condici´on de bloqueo. La corriente de enganche, IL , es la corriente del a´ nodo m´ınima requerida para mantener el tiristor en estado de conducci´on inmediatamente despu´es de que ha sido activado y se ha retirado la se˜nal de la compuerta. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducci´on y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguir´a conduciendo, porque en la uni´on J2 no existe una capa de agotamiento debida a movimientos libres de los portadores. sin embargo, si se reduce la corriente directa del a´ nodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una regi´on de agotamiento alrededor de la uni´on J2 debida al n´umero reducido de portadores; el tiristor estar´a entonces en estado de bloqueo. En la figura 3 se aprecia el comportamiento corriente vs tensi´on del tiristor.

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El voltaje en estado activo, VT , por lo com´un var´ıa desde aproximadamente 1.15V para 600V, hasta 2.5V para dispositivos de 4000V: y para un tiristor de 5.5A 1200V es t´ıpicamente 1.25V. Los tiristores modernos utilizan una compuerta amplificadora, en la que se dispara un tiristor auxiliar TA mediante una se˜nal de compuerta, y de all´ı la salida amplificada de TA se aplica como se˜nal de compuerta al tiristor principal TM . La compuerta amplificadora permite caracter´ısticas altamente din´amicas con dv/dt t´ıpicas de 1000V/µs y di/dt de 500A/µs, simplificando el dise˜no de los circuitos para reducir el inductor limitante di/dt y los circuitos de protecci´on dv/dt. En la figura ?? se muestra el tiristor auxiliar y principal. [?] •

Figure 3: Comportamiento corriente vs tensi´on para un tiristor. [?] La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL . Esto significa que IL > IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del a´ nodo m´ınima para mantener el tiristor en estado de r´egimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche. Cuando el voltaje del c´atodo es positivo con respecto al a´ nodo, la uni´on J2 tiene polarizaci´on directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarizaci´on inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a trav´es de ellos. El tiristor estar´a en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente inversa, IR , fluir´a a trav´es del dispositivo. Un tiristor se puede activar aumentando el voltaje directo de VAK mas all´a de vBO , pero esta forma de activarlo puede ser destructiva. En la pr´actica, el voltaje directo se mantiene por debajo de VBO y el tiristor se activa mediante la aplicaci´on de un voltaje positivo entre la compuerta y el c´atodo. Esto se muestra en la figura 3 con l´ıneas punteadas. Una vez activado el tiristor mediante una se˜nal de compuerta y una vez que la corriente del a´ nodo es mayor que la corriente de mantenimiento, el dispositivo contin´ua conduciendo, debido a una retroalimentaci´on positiva, aun si se elimina la se˜nal de compuerta. Un tiristor es un dispositivo de enganche. [?]

Tiristor de conmutaci´on r´apida: Estos se utilizan en aplicaciones de conmutaci´on de alta velocidad con conmutaci´on forzada. Tienen un tiempo corto de desactivaci´on, por lo general de 5 a 50µs, dependiendo del rango de voltaje. La ca´ıda directa en estado activo var´ıa aproximadamente en funci´on inversa del tiempo de desactivaci´on tq . Este tipo de tiristor tambi´en se conoce como tiristor inversor. Estos tiristores tienen un dv/dt alto, t´ıpicamente de 100V/µs, y un di/dt de 1000A/µs. La desactivaci´on r´apida y el di/dt alto son muy importantes para reducir el tama˜no y el peso de los componentes de conmutaci´on o reactivos. El voltaje en estado activo de un tiristor de 2200A 1800V es por lo com´un de 1.7V. Los tiristores inversores con una muy limitada capacidad de bloqueo inverso, t´ıpicamente de 10V, y un tiempo de desactivaci´on muy corto, entre 3 y 5µs, se conocen comunmente con tiristores asim´etricos.

B. Modelo en Spice de tiristores Para poder realizar la simulaci´on de cualquier componente no lineal en SPICE se realiza la b´usqueda del modelo caracterizado de este, el cual se puede representar en un archivo de carga para el simulador, por tanto, su comportamiento en simulaci´on en contraste con la realidad depende de la precisi´on del modelo planteado y los par´ametros considerados. En el caso del tiristor, el bloque utilizado presenta un modelo equivalente de dos transistores, en donde, de manera m´as especifica, la estructura NPNP del tiristor se obtiene a partir de dos transistores bipolares, un NPN y un PNP, en los cuales la base de cada dispositivo esta conectado al colector del otro [5].

Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusi´on. La corriente del a´ nodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el a´ rea de la uni´on, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la se˜nal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activaci´on y el tiempo de desactivaci´on, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Dependiendo de la construcci´on f´ısica y del comportamiento de activaci´on y de desactivaci´on, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categor´ıas. A continuaci´on se presentan algunas de ellas:

1) SCR: Los tiristores SCR se pueden utilizar en dos aplicaciones en particular: control de fase y conmutaci´on r´apida. • Tiristor de control de fase: por lo general operan a la frecuencia de l´ınea, y se desactiva por conmutaci´on natural. El tiempo de desactivaci´on, tq , es del orden de 50 a 100µs. Esto es adecuado en especial para las aplicaciones de conmutaciones a baja velocidad. Tambi´en se les conoce como tiristores convertidores. Dado que un tiristor es b´asicamente un dispositivo controlado y fabricado de silicio, tambi´en se conoce como un rectificador controlado de silicio (SCR).

Figure 4: Esquema de modelado de un SCR, a partir de dos transistores.

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III. DATASHEET A continuaci´on se presenta la tabla de resumen de propiedades el´ectricas del SCR 106 as´ı como las curvas caracter´ısticas de corriente de operaci´on y de disipaci´on de corriente:

Figure 5: Caracter´ısticas el´ectricas del SCR106 [4].

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El calculo que se desarrolla consiste en determinar el valor de Rgate tal que garantice el correcto funcionamiento de el tiristor: A partir de los datos que se presentan en el datasheet del dispositivo, se encuentra que la corriente de encendido de Gate tiene como valor m´aximo 200A y t´ıpico 30A, a partir de este valor y bajo el supuesto que la fuente de tensi´on usada para el control del punto de operaci´on del Gate se va a utilizar a un valor m´aximo de 10V, se procede a calcular un valor de resistencia para el control de la corriente de entrada al Gate del SCR, para esto se busca que el valor de corriente en el punto critico (m´aximo de operaci´on) sea acorde a las limitaciones del dispositivo, es decir: V

=

Rmin

=

Rmin

=

Rtyp

=

Rtyp

=

R∗I Vmax Imax 50kΩ Vmed Ityp 167kΩ

A partir de los dos valores obtenidos anteriormente, se observa que es necesario un valor de R superior a los 50kΩ y definiendo que queremos obtener el valor de corriente t´ıpico a la mitad de la variaci´on de tensi´on que se tendr´a, el valor de resistencia debe ser aproximado a 167kΩ, con esto se escoge un valor de Rgate = 200kΩ, que corresponde a un valor comercial de resistencia que cumple con las dos condiciones. Ahora pasaremos con la simulaci´on de los dos circuitos a implementar, estos corresponden a observar el comportamiento en AC y DC del SCR 106D: Antes de observar el comportamiento del SCR, es necesario aclarar que se usa como modelo del SCR 106D, el modelo de un tristor EC103D1.

Figure 6: Disipaci´on de potencia m´axima [4].

EL esquema del circuito usado para observar el comportamiento DC del tiristor se presenta a continuaci´on:

Figure 7: Relaci´on de corriente de encendido con la temperatura [4]. Figure 8: Esquema de simulaci´on, respuesta en DC ´ IV. C ALCULOS Y SIMULACIONES A continuaci´on se presentaran los c´alculos y simulaciones para cada uno de los circuitos a implementar durante la pr´actica.

A partir de este, desarrollando un barrido de tensi´on en la fuente de alimentaci´on del gate, se obtiene la siguiente forma de onda:

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Figure 9: Tensi´on de encendido del SCR

Figure 12: Tensi´on AK en AC.

Donde la tensi´on en verde corresponde a la tensi´on anodo-catodo, de la cual es posible observar el punto de inicio de operaci´on del SCR. Obteniendo un valor de 1.8V, equivalentes a una corriente de gate Ig = 10.77µA.

V. R ESULTADOS

Adicionalmente, es posible observar el comportamiento del SCR, ante el efecto de la variaci´on de la tensi´on AK posterior a la polarizaci´on del SCR:

La primera parte del laboratorio consiste en determinar las caracter´ısticas b´asicas de comportamiento del SCR, para esto se implementa el circuito del SCR en DC y se procede a medir el valor de tensi´on de compuerta que enciende el SCR, obteniendo los siguientes valores: Vf uente 0 0,5 V 1V 1,13 V

Vgate 0 0.057V 0.470 V 0.275 V

Vak 0 0 0 2.121 V

Table I: Valores de tensi´on en compuerta y funcionamiento del SCR. Figure 10: Comportamiento del SCR en DC.

Como se puede observar el SCR se enciende disminuyendo la tensi´on de AK, al momento de apagar la tensi´on de Gate, la tensi´on AK se mantiene constante hasta que se comienza a disminuir la tensi´on en la fuente, apagando as´ı el SCR. Por otro lado, el circuito usado para analizar el comportamiento AC del tiristor es:

En la secci´on de an´alisis se presenta, el calculo de la corriente de gate y su comparaci´on con los valores dados por el datasheet del componente. Posterior al encendido del SCR, se apaga la alimentaci´on de la compuerta y se observa que el SCR se mantiene en conducci´on. Disminuyendo el valor de tensi´on de alimentaci´on del circuito (Vf uente ), se observa que cuando la tensi´on de la fuente alcanza los Vf uente = 0.6V , el SCR se apaga. La parte final de la practica consiste en analizar el comportamiento del SCR en AC, para esto se procede a encender el SCR y observar el comportamiento de la forma de onda de la tensi´on AK. Los valores medidos del circuito son: Vf uente 0 0.5 v 1V 1.2 V 1.8 V 3.6 V 5.4 V

Figure 11: Esquema de simulaci´on, respuesta en AC

De este se observa el comportamiento del SCR, al activar el mismo:

Vgate 0 0.50 V 1V 1.196 V 1.75 V 2.91 V 4.7 V

Vak 3 mV 3 mV 3 mV 3 mV 65.28 V 65.6 V 65V

Table II: Valores de tensi´on caracter´ısticos en AC.

Adicionalmente, se presenta a continuaci´on el comportamiento del SCR desde el momento de activaci´on hasta el momento de establecimiento:

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Finalmente, se procede a observar el comportamiento del SCR ante los cambios de temperatura, para esto usando un caut´ın se eleva la temperatura del dispositivo y se espera el momento en el que el SCR se active, obteniendo una temperatura de 100◦ C.

´ VI. A N ALISIS DE RESULTADOS A. An´alisis DC.

Figure 13: Tensi´on AK en AC 1.

Como se describi´o anteriormente, se realiza la caracterizaci´on del SCR en DC con el fin de obtener la corriente de compuerta que hace que el tiristor se encienda. Para esto se toman medidas de tensi´on en un resistencia de 68kΩ como lo muestra la tabla 1, cuando la tensi´on de AK es diferente de cero, se indica que el tiristor se ha encendido. Por medio de la Ley de Ohm se determina la corriente de encendido como el cociente entre la tensi´on de gate entre el valor de la resistencia, obteniendo un valor de 4µA. En el datasheet del dispositivo se especifica una corriente de gate de 30µA para una condici´on de VAK = 6V y una resistencia de carga de 100Ω, asumiendo el valor dado por el datasheet como el real se obtiene un error absoluto del 26% el cual puede estar relacionado con el dise˜no, ya que nuestro circuito ten´ıa una tensi´on VAK de 2,1V, as´ı como se tiene el efecto de resistencia variable caracter´ıstico de una carga como lo es un bombillo. Finalmente se realiz´o la medici´on de la tensi´on de entrada para la cu´al el SCR se apagaba, para esto se encontr´o que cuando la tensi´on de la fuente era 0.6V el dispositivo no funcionaba, dado a que el SCR es una uni´on de diodos, esta tensi´on se atribuye a la tensi´on umbral para la cual los diodos conducen, al ser menor la alimentaci´on de la fuente, el tiristor se apaga hasta que la corriente del gate sea la suficiente para encenderlo de nuevo.

Figure 14: Tensi´on AK en AC 2. B. An´alisis AC y variaciones de temperatura.

Figure 15: Tensi´on AK en AC 3

Figure 16: Tensi´on AK en AC estado estable

Al observar las formas de onda obtenidas, es posible caracterizar el comportamiento del SCR en AC, observando a su vez una de las mayores aplicaciones del SCR, que es el control de fase. Como puede observarse en las im´agenes, en el momento en el que el SCR se activa, se ve una reducci´on progresiva del ciclo positivo asociado a la tensi´on de AK, llevando a generar una diferencia de potencial en las terminales del bombillo lo que ocasiona que este entre en conducci´on. El efecto del control de fase, es observado en la reducci´on que se da en el ciclo positivo, que como su nombre indica recorta la onda en un a´ ngulo asociado a la se˜nal sinusoidal. Como se puede ver, esta reducci´on hasta el estado estable de la tensi´on AK, es el comportamiento de un rectificador de media onda, lo cual se esperaba a causa de la composici´on del SCR. Ahora bien, al observar los datos obtenidos de medici´on es posible observar que la tensi´on en compuerta necesaria para la activaci´on del SCR es un poco mayor y corresponde a 1.8V (1.75V en la resistencia de gate), es decir una corriente de 25.7µA. Alcanzado el punto de activaci´on, el valor de tensi´on AK (medidos en DC) se estabiliza en un valor de 65V. Ahora bien, al analizar el apagado del SCR en AC, a diferencia que en el caso en DC, se observa que al encender el SCR y quitar la tensi´on de Gate, se genera el apagado del dispositivo, es decir no se tiene mantenimiento de la operaci´on del dispositivo. Este echo se explica a causa de la forma de la tensi´on de alimentaci´on usada, es decir una se˜nal sinusoidal, la cual presenta ciclos positivos y negativos, que generan que en un intervalo de tiempo, el bloqueo del SCR a causa de una polarizaci´on en inverso. De la curva de funcionamiento del SCR, se observa que la tensi´on de AK cambiara el valor necesario de tensi´on de gate para la activaci´on del SCR, hasta un m´aximo dado por la curva caracter´ıstica del SCR, sin embargo este efecto no observado durante la practica, a causa de que la alimentaci´on se desarrolla directamente desde una toma, sin

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poder variar el valor de tensi´on de funcionamiento. Finalizaremos esta secci´on, con el an´alisis del comportamiento del SCR ante variaciones de temperatura. Como ya se explico antes para calentar el SCR se hace uso de un caut´ın, el cual se coloca en contacto con la superficie del SCR y midiendo la temperatura por medio de una termocupla, se observa que al llegar a 100◦ C el bombillo se enciende, indicando que el SCR entra en conducci´on, sin embargo este efecto de polarizaci´on con temperatura, se aprecia u´ nicamente para temperaturas mayores o iguales a 100◦ C, al bajar la temperatura de este valor, se apaga el SCR. La explicaci´on de la respuesta t´ermica del SCR, es debida a que con el calor, se genera la excitaci´on de los a´ tomos intr´ınsecos del semiconductor, generando corrientes de conducci´on que desequilibran el dopaje de los semiconductores y genera que se encienda el dispositivo, pero como ya se explico antes, este efecto es moment´aneo (siempre que se mantenga dentro de los limites t´ermicos del dispositivo).

VII. C ONCLUSIONES El tiristor SCR en general es un dispositivo controlado por corriente y por tensi´on, para su encendido requiere un nivel de corriente en el gate y para el apagado, una tensi´on a´ nodo-c´atodo. En particular para el SCR106D se encontr´o una corriente de encendido de 4µA y una tensi´on a´ nodo-c´atodo de 0,6V para su apagado, esta condici´on de control permite que el tiristor sea utilizado en muchas aplicaciones. Una de las aplicaciones que se pueden llevar a cabo con un SCR es la rectificaci´on controlada. Como es posible evidenciar en este laboratorio a partir del cambio en el valor de tensi´on de Gate, es posible variar el ciclo de funcionamiento del SCR, pudiendo llevar la tensi´on de AK hasta la forma de onda caracter´ıstica de un rectificador de media onda. A partir del desarrollo de la practica, fue posible observar las caracter´ısticas b´asicas de funcionamiento de un SCR (condiciones de encendido, apagado y bloqueo), as´ı como los limites de funcionamiento del dispositivo, tales como el efecto de la temperatura sobre el comportamiento del dispositivo, que se convierten en datos de gran importancia a la hora del desarrollo de futuros dise˜nos.

R EFERENCES [1] Hart,D. Electr´onica de Potencia. Valparaiso, Indiana. Ed. Prentice Hall. 2001. [2] Miyara F. Rectificaci´on. Universidad Nacional de Rosario [Online], Disponible en: http://www.soft-data.com/utn/DownLoads/rectificadores. pdf [3] Rectificadores no controlados.Universidad Tecnol´ogica Nacional: Ingenier´ıa electromec´anica. [Online] [4] Motor, Silicon controlled Rectifier: Reverse Blocking Triode Thyristors.[Online].

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