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TIRISTORES Y TRIACS

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TIRISTORES Y TRIACS INTRODUCCIÓN 1.

¿Qué es el tiristor?

Conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez, el tiristor es un componente idóneo en electrónica de potencia. El triac, por su parte, no es sino la variante bidireccional. El tiristor, concebido en un principio como equivalente de estado sólido para reemplazar al tiratrón a gas, se ha impuesto rápidamente en toda una serie de dominios de los que los más importantes son, a parte de la conmutación pura y simple, la variación de velocidad de motores y la graduación de luz. En efecto, el tiristor permanece normalmente bloqueado hasta el momento en que se le hace conducir actuando sobre su electrodo de disparo. Puesto que ese momento se puede fijar con toda precisión, es posible gobernar a voluntad el paso de intensidades de corriente (o de potencias) en su valor medio. Fundamentalmente son dos los modos posibles de funcionamiento. Sea, por ejemplo, la onda alterna rectificada de la figura 1 a; gracias al tiristor se puede no dejar pasar más que algunas semiondas, bloqueando las otras: se obtendría entonces la onda de la figura 1 b, en la que se han suprimido las semiondas 2, 4, 6 y 7. Se puede igualmente no desbloquear el tiristor hasta un poco después del principio de cada semionda, como se indica en la figura 1 c; de esa forma sólo se dispone de una parte de la potencia total, como puede verse mejor en el caso de una semionda, en la figura 1 d; en esta modalidad de funcionamiento se actúa pues sobre los ángulos de conducción de corriente y de bloqueo, variándolos a voluntad como ya se hacía con el tiratrón. Pero el tiristor presenta sobre el antiguo tiratrón una serie de ventajas, debidas precisamente al hecho de que constituye un elemento de estado sólido: innecesidad de precalentamiento, volumen reducido, fuerte resistencia a los choques y aceleraciones, posibilidad de trabajo en todas las posiciones, insensibilidad a las sobrecargas, fiabilidad, vida media muy larga, velocidad elevada de conmutación, caída de tensión directa muy baja y poca depencia de la corriente, etc. Todo esto explica el hecho de que el tiristor haya conquistado o esté en vías de hacerlo, nuevos y vastos dominios tales como la alimentación, la televisión en color, el automóvil, la optoelectrónica, la lógica indus trial, la regulación, automatismos, telefonía, etc. El tiristor, obtenido en los Estados Unidos por la firma General Electric hacia 1957, abordó el mercado europeo hacia 1959-1960. Su nombre se incluye entre los de esos nuevos componentes que han revolucionado el desarrollo de la electrónica desde que en 1948 se encontró ese elemento extraordinario llamado transistor.

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Figura Nº 1: El Tiristor Actúa en dos Modalidades Distintas. Siendo en a), la onda de entrada, el tiristor suprime en b), algunos semiperíodos de ella, mientras que en c), subsisten todos los semiperíodos aunque no completos, como puede apreciarse mejor en d). 2.

La familia de los tiristores

El término "tiristor" designa a toda una familia de elementos semiconductores cuyas características son similares, en principio, a las de las antiguas válvulas "tiratrones". El nombre de tiristor proviene justamente de la contracción de tiratrón y transistor. El tiristor tiene dos estados estables que dependen de los efectos de realimentación de las uniones en la estructura PNPN; estas uniones pueden ser dos o más, y los elementos pueden ser uni o bidireccionales, con dos o más terminales, distinguiéndose entonces entre "diodos" (dos terminales), "triodos" (tres terminales) y "tetrodos" (cuatro terminales). Dentro de esta gran familia cabe distinguir: v

v v v v v v v v v

Los tiristores propiamente dichos, que son los elementos más conocidos y que en lengua inglesa se denominan "silicon controlad rectifier" o SCR. Se trata de elementos unidireccionales, con tres terminales (ánodo, cátodo y puerta) bloqueados en el tercer cuadrante, por lo que también se les llama "tiristores triodos de bloqueo inverso" (reverso blocking triode thyristors). Los triacs, que derivan de los anteriores con la diferencia de ser bidireccionales, se denominan también "tiristores triodos bidireccionales". Su nombre usual proviene de la contracción de "triode AC switch". Los fototiristores o tiristores fotosensibles. El término inglés es "light activated silicon controlad switch" o LASCR (según GE). Los tiristores bloqueables, llamados también de "gain de commande á I'ouverture" ("GCO" de Silec, por ejemplo).* El conmutador unilateral de silicio, "SUS", de "silicon unilateral switch". El conmutador bilateral de silicio, "SBS", de "silicon bilateral switch". El tiristor tetrodo de dos electrodos de mando, o "SCS", de "silicon controlled switch". El diodo Shockley, o diodo tiristor, también llamado diodo de cuatro capas Etcétera. Tiristores con puerta de extinción ("gate turn-off switch"), GTO que los franceses denominan a veces con el nombre Silec de GCO. (N. del T.)

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TEORÍA DEL TIRISTOR 1.

Estructura y símbolo

El tiristor es un semiconductor sólido de silicio formado por cuatro capas P y N alternativamente, dispuestas como se ve en la figura, donde también se representa su símbolo.

Figura Nº 2: Estructura y símbolo del tiristor. Los dos terminales principales son el de ánodo y el de cátodo, y la circulación entre ellos de corriente directa (electrones que van del cátodo al ánodo o corriente que va de ánodo a cátodo) está controlada por un electrodo de mando llamado "puerta" ("gate" en inglés). El tiristor es un elemento unidireccional; una vez aplicada la señal de mando a la puerta, el dispositivo deja pasar una corriente que sólo puede tener un único sentido. Por ello a veces se designa al tiristor por lo que constituye, de hecho, su definición, rectificador controlado, traducción incompleta del inglés, "silicon controlled rectifier" de ahí las siglas de SCR. El dispositivo cumple varias misiones que podemos clasificar un poco arbitrariamente como sigue: • Rectificación: consiste en usar la propiedad de funcionamiento unidireccional del dispositivo, el cual realiza entonces la función de un diodo; • Interrupción de corriente : usado como interruptor, el tiristor puede reemplazar a los contactores mecánicos; • Regulación : la posibilidad de ajustar el momento preciso de cebado permite emplear el tiristor para gobernar la potencia o la corriente media de salida; • Amplificación: puesto que la corriente de mando puede ser muy débil en comparación con la corriente principal, se produce un fenómeno de amplificación en corriente o en potencia. En ciertas aplicaciones esta "ganancia" puede ser de utilidad 2.

El tiristor bajo tensión (en estado de bloqueo)

Para simplificar el siguiente análisis admitiremos que el cátodo del tiristor está siempre a masa y que la puerta no está conectada ("flotando"). En estas condiciones, se puede comparar el tiristor a tres diodos conectados en oposición (fig. 2-2). En efecto, las capas P 2N2 Y P1N2 forman diodos que aseguran el aguante en tensión del dispositivo. De esta forma: • Si el ánodo es positivo, el elemento está polarizado directamente, pero el diodo P1N2 bloquea la tensión aplicada; • Si, por el contrario, el ánodo es negativo, los diodos P2N2 Y PN, tienen polarización inversa. Por ser débil la tensión de avalancha de P1N2, su papel es despreciable es P2N2 el e ha de limitar la corriente inversa de fuga.

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Figura Nº 3: Las Tres Uniones del Tiristor Pueden Representarse Mediante Tres Diodos Equivalentes.

Figura Nº 4: El Tiristor Es Equivalente a Una Combinación de Dos Tiristores, Uno PNP y otro NPN. La tensión máxima viene limitada, prácticamente, por la tensión de avalancha de los diodos P 2N2 Y P 1N1. 3.

El tiristor bajo tensión directa

Se comprenderá mejor el funcionamiento del tiristor si nos referimos al montaje con dos transistores, PNP y NPN, de la figura, que resulta equivalente. Estos dos transistores están conectados de forma que se obtenga una realimentación positiva. Supongamos que sea positiva la región P2 con relación a la N1. Las uniones J3 y J1 emiten portadores, positivos y negativos respectivamente, hacia las regiones N2 y P1. Estos portadores, tras su difusión en las bases de los transistores, llegan a la unión J2, donde la carga espacial crea un intenso campo eléctrico. Siendo α2 la ganancia de corriente que da la fracción de la corriente de huecos inyectada en el emisor y. que llega al colector del PNP, y siendo por otro lado α1 la ganancia de corriente que da la fracción de la corriente de electrones inyectada en el emisor que llega al colector del NPN, podemos escribir: IC2 = α2lA y IC1 = α1IA La corriente total de ánodo IA es evidentemente la suma de lC1, e IC2, a la que hay que sumar la corriente de fuga residual que pasa por la unión central J2 y a la que llamaremos lCX. Se tiene entonces: JUAN CARLOS MADRIGAL LOBOS

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IA = α1IA + α1IA + ICX lo que nos da: IA =

ICX (α1 + α2)

Ahora bien, en muchos transistores de silicio la ganancia α es baja para valores reducidos de corriente, aumentando cuando crece la corriente. Luego, si CI X es reducida, el denominador de la fracción anterior se acerca a 1 (para corrientes débiles) y la corriente IA es apenas mayor que la corriente de fuga. Aunque polarizada directamente, la estructura PNPN permanece pues bloqueada presentando una elevada impedancia. Cuando aumenta, por cualquier motivo, la corriente de fuga lCX, aumentan la corriente y la ganancia. La suma α1 + α2 tiende entonces a 1 y la corriente IA tiende a infinito. En realidad, esta corriente toma un valor muy alto, limitado sólo por el circuito externo. El tiristor está entonces en estado conductor (también se dice que está desbloqueado o disparado). Hagamos observar que este tipo de cebado por aumento de la corriente de fuga, esto es, en general, por aumento de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo del elemento, no es aconsejable en la mayoría de los casos.

4.

Principio de cebado por puerta

El cebado por puerta es el método más usual de disparo de tiristores. El razonamiento siguiente aparecerá mucho más claro si nos referimos a la figura. Una vez polarizado directamente el tiristor se inyecta un impulso positivo de mando en su puerta (este ataque es en corriente, denominándose IG a esta última). El transistor NPN designado T1 recibe una corriente de base IG, pasando a ser su corriente de colector de IGβ1, donde β, es la ganancia de corriente de este transistor (montaje en emisor común).

Figura Nº 5: Montaje Equivalente de un Tiristor Que Explica el Fenómeno Del Cebado Esta corriente se inyecta a su vez en la base del transistor T2 (PNP) que entrega entonces una corriente de IGβ1β 2 (siendo β2 la ganancia de corriente de T2). Esta corriente, que aparece en el colector de T2, vuelve a aplicarse a la base de T1. Hay que considerar entonces dos casos: 1. El producto β1β2 es inferior a 1, en cuyo caso el elemento no se ceba; 2. El producto β1β2 tiende a la unidad, con lo que se realiza el proceso de amplificación y el elemento bascula al estado conductor.

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Estas dos condiciones (β1β2 < 1 Y β1β2 → 1) caracterizan el estado del tiristor en función de la corriente. En efecto, la ganancia β de un transistor de silicio crece normalmente, por lo general, en función de la corriente (fig). Así pues: • Si la corriente de puerta es débil, el producto β1β2 es inferior a la unidad y no se ceba el elemento; • Si el impulso de mando es suficiente, las corrientes de emisor son lo bastante elevadas para que el producto β1β2 tienda a 1.

β

IE Figura Nº 6: La Ganancia de Corriente B de un Transistor de Silicio Depende por lo General de la Corriente de Emisor. En cuanto se produce el cebado, la realimentación hace que los dos transistores conduzcan a saturación (por cuanto la corriente de colector de uno se inyecta sistemáticamente en la base del otro). Una vez en conducción, los transistores se mantienen ya en ese estado, incluso aunque desaparezca el impulso inicial de puerta, hasta que el circuito exterior deje de mantener la corriente IA. 5.

¿Cómo puede cebarse un tiristor? Como ya hemos visto, el tiristor puede adoptar uno de estos estados: • De bloqueo, cuando está polarizado en sentido inverso; • De bloqueo o de conducción, cuando la polarización es direc ta, según que esté cebado o no.

En este último caso, para hacerlo pasar del estado de bloqueo al de conducción se recurre, como se ha dicho ya, a la propiedad esencial del transistor de silicio: la de poseer una ganancia de corriente que crece con la corriente de emisor, IE. Por tanto, se pueden usar todos los medios capaces de provocar un aumento de la corriente IE. Los más importantes son: v La tensión. Cuando aumenta la tensión ánodo - cátodo del tiristor, llega un momento en que la corriente de fuga es suficiente para producir un brusco aumento de la corriente IE. Esta forma de disparo se usa sobre todo con los diodos de 4 capas (diodos tiristores). v La derivada de la tensión . Ya se sabe que una unión PN presenta una cierta capacidad. Así, pues, si se hace crecer bruscamente la tensión ánodo - cátodo, esta capacidad se carga con una corriente:

I =C

dV dt

Y, si esta corriente i es suficientemente elevada, provocará el cebado del tiristor. v La temperatura. La corriente inversa de fuga de un transistor de silicio aumenta al doble, aproximadamente, cada 140 ºC (al aumentar la temperatura). Cuando la corriente alcanza un valor suficiente, se produce el disparo del tiristor por los mismos fenómenos ya vistos. JUAN CARLOS MADRIGAL LOBOS

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v El efecto transistor. Es la forma clásica de gobernar un tiristor. En la base del transistor equivalente se inyectan portadores suplementarios que provocan el fenómeno de cebado (la base es la puerta del tiristor). v El efecto fotoeléctrico. La luz, otra de las formas de energía, puede también provocar el cebado del tiristor al crear pares electrón - hueco. En este caso se emplea un fototiristor, que es un tiristor con una "ventana" (esto es una lente transparente que deja pasar los rayos luminosos) en la región de puerta. 6.

Curva característica del tiristor

En la figura se ha dibujado la curva característica típica de un tiristor (elemento unidireccional), representándose la corriente IA en función de la diferencia de tensión ánodo cátodo. Cuando es nula la tensión V, lo es también la corriente IA. Al crecer la tensión, V en sentido directo - se la designará como VF, siendo F la inicial de "forward" (directo en inglés), se alcanza un valor mínimo (V d) que provoca el cebado; el tiristor se hace entonces conductor y cae la tensión ánodo - cátodo mientras aumenta la corriente IA. Por lo mismo que hemos dicho de la tensión, a esta corriente directa la llamaremos IF.

Figura Nº 7: Curva Característica de un Tiristor. Si se polariza inversamente el tiristor, aplicándole una tensión V R (donde R es la inicial de "reverse", esto es, inverso en inglés) observaremos la existencia de una débil corriente inversa de fuga (esta corriente inversa recibirá el símbolo IR) hasta que se alcanza un punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del elemento. El tiristor es pues conductor sólo en el primer cuadrante. El disparo ha sido provocado en este caso por aumento de la tensión directa. La aplicación de una corriente de mando en la puerta desplaza, como veremos, hacia la derecha el punto de disparo V d.

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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 Figura Nº 8 y Figura Nº 9.

Figura Nº 8: Apertura del SCR mediante INTERRUPCIÓN DE LA CORRIENTE ANÓDICA En la Figura Nº 8 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 conduc ir. 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 Nº 9, 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 Nº 9: Desconexión del SCR mediante conmutación forzada

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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 Nº 10 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 Nº 10.

Figura Nº 10: (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 Nº 10 (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 Nº 10 (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 Nº 11. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR.

Figura Nº 11: Disparos cíclicos para control de potencia 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.

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Figura Nº 12: Símbolo del GCS Los GCS están diseñados para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas pocas decenas de amperios. 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 Nº 13: 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. 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.

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Figura Nº 14: 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 Nº 15: Característica V-I del diac

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EL TRIAC El triac pertenece a la familia de los tiristores, ya que se trata en definitiva de un tiristor bidireccional; pero dada su importancia, le dedicaremos aquí un capítulo especial. 1.

Definición

El triac es un elemento semiconductor de tres electrodos, uno de los cuales es de mando (la puerta) y los otros dos son los principales de conducción. El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un régimen conductor, en los dos sentidos de polarización (cuadrantes I y III, de la figura) y volver al estado de bloqueo por inversión de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento, IH.

Figura Nº 16 : Características del Triac.

Figura Nº 17 : Característica I / V del Triac. El triac es, pues, la versión bidireccional del tiristor; en su representación eléctrica se le puede comparar a la asociación en antiparalelo de dos tiristores (figura), presentando no obstante dos ventajas fundamentales sobre este montaje en el que sólo se podría gobernar las puertas mediante un trans formador de impulsos: JUAN CARLOS MADRIGAL LOBOS

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v v

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El circuito de mando resulta más sencillo al no existir más que un electrodo de disparo; El dispositivo puede bascular al estado conductor independientemente de la polaridades de puerta o de ánodo (el disparo se efectúa en los cuatro cuadrantes).

Figura Nº 18: Puede compararse el triac a la asociación en antiparalelo de dos tiristores 2.

Estructura

El triac puede obtenerse mediante diversas estructuras de capas de difusión como, por ejemplo, la de la figura. En ella pueden reconocerse los dos tiristores constituyentes del triac:

Figura Nº 19: Estructura de un Triac típico JUAN CARLOS MADRIGAL LOBOS

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v

La mitad de la pastilla, ABC, representa un tiristor de estructura clásica cuya conducción tiene lugar según (l);

v

La mitad ABD es un tiristor de conducción inversa (según II), siendo la capa N3 la de cátodo. Tecnológicamente pues, el triac es la unión de las capas de dos tiristores cuya superficie de emisor útil en cada semiperíodo es la de media pastilla;

v

La puerta del conjunto está formada por dos capas de tipos opuestos: N4 y una porción de P 1.

Cebado del triac

Si se aplica la tensión V1 al ánodo A1, la tensión V2 al ánodo A2 y la tensión VG a la puerta, y si tomamos V1 como masa de referencia (V 1 = 0), podemos definir 4 cuadrantes de polarización (figura Nº 4):

Figura Nº 20: Cuatro cuadrantes de polarización.

CUADRANTE I II III IV 3.1

V2 >0 >0