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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado “Luis Caballero Mejías” – Núcleo Guarenas Ingeniería Mecatrónica Laboratorio de Electrónica Industrial – Preparaduría

TIRISTORES

Tutor:

Alumnos: Br. Freddy Liendo – Exp. #2013200263

Br. Eribert De Oliveira

Enero 2017

INTRODUCCIÓN

Llamamos Electrónica de Potencia a la rama de la ingeniería eléctrica encargada del estudio de la aplicación de los conocimientos de electrónica en circuitos cuyo consumo se encuentra en lo que se conoce como alta potencia. Para el desarrollo de esta área, se cuenta con elementos especiales, componentes capaces de soportar las condiciones a las que se someten estos circuitos. Entre estos componentes se encuentra una familia cuya principal característica es su configuración física de cuatro capas de materiales semiconductores dopados en disposición pnpn, cuyo propósito principal es controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia; a ésta familia se le conoce como tiristores.

En el siguiente trabajo se desarrolla una breve reseña de algunos tipos de tiristores, con base en sus definiciones, funcionamiento, aplicaciones y circuitos de ejemplo que permiten apreciar el principio bajo el cual opera cada uno de ellos; además, se proporciona un ejemplo de circuito detector de cruce por cero.

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RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SILICON CONTROLLED RECTIFIER, SCR)

Es el primer tipo de tiristor desarrollado, básicamente la raíz de éstos. Se puede definir como un dispositivo controlador de corriente de estado sólido, compuesto de cuatro capas alternadas de materiales p y n, o bien tres junturas pn. El nombre que da pie a las siglas SCR es el nombre comercial patentado por General Electric para un tipo de tiristor, aunque muchas fuentes definen al SCR como un sinónimo de tiristor, cuando en realidad es un subconjunto. Son dispositivos unidireccionales, es decir, puede conducir corriente solamente en una dirección.

Por configuración, poseen tres terminales

denominadas ánodo (Anode), cátodo (Cathode - inglés; Kathode - alemán) y compuerta (Gate) (ver fig. 1). Se activan por una corriente entrante a su puerta.

Fig. 1: Símbolo electrónico del SCR Tienen tres modos de operación, dependiendo de la polarización dada: - Modo de bloqueo directo: Al ánodo se le da un voltaje positivo mientras que al cátodo

uno

negativo,

manteniendo

la

puerta

a

potencial

cero

(desconectada/aterrada). En este caso, las dos junturas extremas se hallan en directo, y la juntura media en inverso, por lo cual sólo existe una pequeña corriente de fuga entre ánodo y cátodo; esto hasta que el voltaje aplicado alcance el valor de ruptura, en el cual la juntura media cae en daño por avalancha, y en este punto comienza a conducir, aunque bajo el valor de voltaje de ruptura ofrece altísima resistencia a la corriente. 2

- Modo de conducción directa: Se puede llevar al SCR de bloqueo directo a conducción de dos formas: incrementando el voltaje ánodo-cátodo hasta el valor de ruptura, o aplicando un pulso positivo a la compuerta. Una vez que empieza a conducir, no se requiere más voltaje en la compuerta para mantenerle en este estado. Hay también dos formas de apagarle: reduciendo la corriente hasta pasar bajo el valor mínimo llamado corriente de mantenimiento; o, con la compuerta apagada, hacer caer en corto ánodo y cátodo con un interruptor/pulsador o transistor sobre la juntura.

- Modo de bloqueo inverso: Los SCRs se fabrican con una capacidad de bloqueo inverso, que se suma a la caída de voltaje en directo debido a la necesidad de tener una región p1 más larga y más dopada. Usualmente, el rango de voltaje de bloqueo inverso y el directo son el mismo.

Los SCR incapaces de bloquear voltajes en inversa se conocen como SCR asimétricos, abreviados ASCR en inglés. Tienen típicamente un voltaje de ruptura inverso de decenas de voltios. Se usan aplicando un diodo de marcha libre, o donde no podría existir voltaje inverso. Se pueden fabricar ASCRs con un diodo de marcha libre en el mismo integrado; esta configuración se conoce como RCT, de Reverse Conducting Thyristor, o Tiristor de Conducción Inversa. Los SCRs se usan principalmente en dispositivos y circuitos en los que se demanda control de alta potencia, posiblemente emparejado con alto voltaje. Su operación les hace adecuados para usos en aplicaciones de control de voltajes AC medios/altos, tales como dimmers de lámparas, reguladores de potencia y control de motores AC. Se suelen usar SCRs y components similares para rectificación AC de alta potencia en transmisión de potencia DC a alto voltaje. También se usan en el control de máquinas de soldadura, principalmente MTAW (arco de metal de tungsteno) y GTAW (arco de gas de tungsteno).

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Un buen ejemplo de aplicación del SCR es el regulador de carga de batería mostrado en la figura 2:

Fig. 2: Esquema del Regulador de Carga de Batería Se

muestran

componentes

genéricos,

sin

valores,

para

explicar

su

funcionamiento a nivel teórico. Los diodos D1 y D2 se colocan para establecer un rectificado de onda complete sobre el SCR1 y la batería de 12V a cargar. Cuando la batería se encuentra descargada, el SCR2 se encuentra en estado de bloqueo. Cuando entrada rectificada es suficientemente amplia para dar una corriente de encendido a la compuerta (controlada por R1), el SCR1 se enciende y la batería empieza a cargar. Al inicio, el voltaje VR, determinado por un simple divisor de voltaje, es muy pequeño para hacer que el Zener de 11V entre en conducción por lo que es en efecto un circuito abierto, manteniendo a SCR2 en bloqueo.

El

capacitor C es incluido en el circuito para prevenir cualquier voltaje transitorio en el circuito que encienda accidentalmente a SCR2. Mientras la carga continua, el voltaje de la batería incrementa a tal punto que VR es suficientemente grande como para encender el Zener, y por tanto, disparar SCR2. Una vez que este último se dispara, se genera un divisor de voltaje determinado por R1 y R2 que mantendrá V2 a un nivel muy pequeño como para encender SCR1. Cuando esto ocurra, la batería estará completamente cargada, y SCR1 en circuito abierto, por lo que no habrá más corriente de carga. El regulador carga la batería cada vez que su voltaje disminuya y previene sobrecarga. 4

DIODO PARA CORRIENTE ALTERNA (DIODE FOR ALTERNATING CURRENT, DIAC)

Se puede definir como un diodo que conduce corriente eléctrica sólo después de alcanzar momentáneamente su voltaje de ruptura. Cuando esto sucede, el dispositivo entra en una región de resistencia dinámica negativa, que lleva a un decremento de la caída de voltaje sobre el diodo, y usualmente, un incremento agudo en la corriente a través del diodo. Se mantiene entonces en estado de conducción hasta que la corriente que le atraviesa cae por debajo de un valor llamado corriente de mantenimiento, característico del dispositivo; por debajo de este valor, el diodo conmuta y vuelve a su estado de alta resistencia/bloqueo. Este comportamiento es bidireccional, es decir, funciona en ambos sentidos de la corriente. Por esto también se le conoce como Tiristor de Diodo Bidireccional. Posee dos terminales, ánodo 1 y ánodo 2 (contrario a la configuración común ánodo y cátodo, puesto que es bidireccional) (ver fig. 3).

Fig. 3: Símbolo electrónico del DIAC Existen dos tipos de DIAC: -

DIAC de tres capas: Similar a un BJT, pero sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. Permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones. 5

-

DIAC de cuatro capas: Básicamente, su estructura son dos diodos Shockley conectados en antiparalelo (uno en directo, otro en inverso), lo que le da la característica bidireccional.

El comportamiento del DIAC se puede describir como dos diodos Zener conectados en serie, pero orientados en forma opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del Zener que está conectado en sentido opuesto. El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga, y como se mencionó anteriormente, la conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza. Se les suele llamar diodos de disparo simétrico, debido a la simetría de su curva característica. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase, y es muy común usarles para autocompletar el ritmo variado de disparo de un TRIAC. El circuito de aplicación se mostrará más adelante, en el apartado del TRIAC, pues la aplicación es un funcionamiento conjunto de estos dos tipos de tiristor.

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TRIODO PARA CORRIENTE ALTERNA (TRIODE FOR ALTERNATING CURRENT, TRIAC)

Es la marca comercial genérica asignada a un componente electrónico de tres terminales que conduce corriente en ambas direcciones cuando se le activa. Su nombre formal es Tiristor de Triodo Bidireccional, o Tiristor de Triodo Bilateral. Es análogo a un relé, puesto que un voltaje y una corriente pequeños pueden controlar otros de mayor magnitud. Su configuración física de tres terminales (ver fig. 4) se compone de dos ánodos (A1 y A2) y una compuerta. Se suele referirse a los ánodos como terminales primarios (Main Terminals, MT1 y MT2).

Fig. 4: Símbolo electrónico del TRIAC Los TRIACs se asemejan bastante a los SCRs, pero difieren principalmente en que los primeros permiten el paso de corriente en ambos sentidos, mientras que los últimos sólo pueden conducir en un sentido. Además, la mayoría de los TRIACs pueden ser disparados aplicando un voltaje positivo o negativo a la compuerta; los SCRs requieren de un voltaje positivo estrictamente. Una similitud a resaltar es que ambos dispositivos se mantienen en estado de conducción luego de ser activados, incluso si la corriente por la compuerta cesa, hasta que la corriente principal cae bajo el valor de la corriente de mantenimiento IH. 7

Para entender el funcionamiento de un TRIAC, recurrimos a su modelo equivalente con BJTs (ver fig. 5), considerando el disparo en cada uno de los cuatro cuadrantes, y la polarización de MT2 con respecto a MT1. La sensibilidad relativa depende de la estructura física de un TRIAC particular, pero como regla, el cuadrante I es el más sensible (requiere menos corriente de compuerta), y el cuadrante IV es el menos sensible (requiere más corriente de compuerta).

Fig. 5: Modelo de un TRIAC con BJTs En los cuadrantes I y II, el potencial en MT2 es positivo, y la corriente fluye de MT2 a MT1 a través de las capas P, N, P y N. La región N anclada en MT2 no participa significativamente. En los cuadrantes III y IV, MT2 es de potencial negativo, y la corriente fluye de MT1 a MT2, también a través de capas P, N, P y N. La región N de MT2 está activa, pero la N anclada en MT1 sólo participa en el disparo inicial, no en la corriente que le sucede.

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La bidireccionalidad del TRIAC le hace un dispositivo muy conveniente como interruptor para corriente alterna. Además, aplicando un disparo en un ángulo de fase controlado de la onda AC en el circuito principal permite controlar el valor promedio de la corriente que fluye en una carga (lo que se conoce como control de fase); esto le confiere al TRIAC su uso común en circuitos de control de velocidad de motores de inducción, de luminosidad para lámparas (atenuadores/dimmers), y de calentadores eléctricos. De hecho, el esquema a continuación (ver fig. 6), muestra la aplicación en conjunto de un DIAC y un TRIAC en un circuito de control de calor. Es un circuito típico DIAC-TRIAC, usado para controlar de forma suave o fluida la potencia AC suministrada a un calentador, a fines de regular el calor que entrega.

Fig. 6: Circuito de Control de Calor El condensador C1 en serie con la bobina de obstrucción (choke) L en paralelo al TRIAC, ralentizan el aumento de voltaje del dispositivo durante su estado de bloqueo. La resistencia R4 en paralelo con el DIAC asegura el control suave en cualquier posición del potenciómetro R2. El ángulo de conducción del TRIAC se ajusta cambiando el valor de R2. Mientras más conduzca el TRIAC, mayor será la salida del calentador, ergo, se obtiene un control fluido de la salida de calor.

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TIRISTOR DE APAGADO POR COMPUERTA (GATE TURN OFF THYRISTOR, GOT)

Inventado por General Electric, y patentado con GTO como acrónimo de su nombre comercial, el tiristor de apagado por compuerta es un tipo especial de tiristor, muy similar al SCR en cuanto a estructura, pues es un dispositivo de cuatro capas y tres junturas pn, con tres terminales externos, nombrados ánodo, cátodo y compuerta (ver figura 7). El circuito equivalente de transistores es exactamente el mismo, y las características son similares. La principal diferencia (y ventaja) del GTO sobre los SCRs es que el primero se puede encender y apagar aplicando un voltaje apropiado a la compuerta (con respecto al cátodo), esto es, voltaje positivo para encender y negativo para apagar. Debido a esta característica, hay un incremento en la magnitud de corriente de compuerta requerido para el disparo.

Fig. 7: Símbolos electrónicos del GTO El encendido del GTO se logra mediante un pulso de “corriente positiva” entre la compuerta y el cátodo. Cuando la juntura compuerta-cátodo se comporte como PN, habrá un voltaje relativamente pequeño entre los terminales. Una corriente positiva de compuerta se debe mantener incluso después del encendido para mejorar la confiabilidad del mismo, pues no es tan eficiente como en un SCR. El apagado se logra mediante un pulso de “corriente negativa" compuerta-ánodo. Algo de corriente en directo (entre 1/3 y 1/5) se cuela y es usada para inducer un voltaje cátodo-compuerta que, de regreso, induce la caída de la corriente directa, apagando el GTO. 10

El tiristor GTO sufre de largos tiempos de apagado, ya que después de que la corriente caiga, hay un lapso largo en el cual una corriente residual continúa fluyendo hasta que toda la carga remanente se consume. Esto restringe la frecuencia máxima de conmutado a aproximadamente 1kHz. Para asistir el proceso de apagado, se construyen a partir de un gran número (cientos o incluso miles) de pequeñas celdas tiristores conectados en paralelo. A pesar de su lentitud, cabe destacar que el tiempo de apagado de un GTO es cercano a diez veces el de un SCR equivalente. Las principales aplicaciones de los GTO son en drivers de motor de velocidad variable, inversores de alto poder y tracción. Un excelente ejemplo es el circuito mostrado a continuación (ver figura 8), un sistema conversor/inversor PWM. En esta aplicación, el sistema conduce un motor de inducción de tres fases a velocidades variables con una Fuente de poder AC, igualmente de tres fases.

Fig. 8: Esquema del Sistema Conversor/Inversor PWM El circuito se divide en tres fases: la unidad de conversión PWM, el circuito de filtro, y la unidad de inversora PWM. El control de velocidad se logra mediante el encendido/apagado controlado de los GTO de la unidad inversora, mientras que una operación regenerativa se logra controlando los de la unidad de conversión.

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SCR ACTIVADO POR LUZ (LIGHT-ACTIVATED SCR, LASCR)

Nombre comercial patentado para un tipo de fototiristor, que se basa en el mismo principio del SCR, pero cuya activación depende de la exposición a la luz. Al igual que un SCR, posee tres terminales, denominadas ánodo, cátodo y compuerta (ver fig. 9).

Fig. 9: Símbolo electrónico del LASCR La configuración física de un LASCR consiste en una lente que enfoca la luz exterior a una de las capas semiconductoras del dispositivo, y gracias al efecto fotoeléctrico, se genera un movimiento de electrones, disparando el tiristor. A diferencia de los fototransistores y de otros fotodetectores comunes, la salida del LASCR no es proporcional a la luminosidad que reciba, pues el haz de luz incidente cumple la función de disparador. Al igual que el SCR, tiene dos estados en polarización directa: el estado de corte, que se da previo a la irradiación del dispositivo, y en el cual sólo le atraviesa una corriente de fuga muy pequeña; y el estado de conducción, que se da en cuanto se supera el umbral óptico. Para funcionar adecuadamente, los foto-SCR requieren una resistencia externa entre la puerta y el cátodo que puentee efectivamente parte de la corriente en la porción npn del dispositivo; de aquí que la resistencia puerta-cátodo determine la sensibilidad a la luz, y a su vez influya en los efectos de temperatura, respuesta en frecuencia y dv/dt.

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Aumentar dicha resistencia incrementa la sensibilidad a la luz ya la temperatura, pero disminuye la respuesta en el tiempo. Como puede esperarse, el nivel de disparo de un foto-SCR depende de la temperatura de la unión, de la tensión aplicada, entre otras variables físicas. El LASCR se aplica en diversos campos, tales como relés, control óptico brillante, control de fase, control de motores, y diferentes aplicaciones informáticas. Su ventaja es que sólo se activa cuando hay luz incidente, evitando de este modo los impulsos de tensión no esenciales, es decir, los disparadores no deseados, lo que permite un mayor control de las variables eléctricas. A continuación se muestra un circuito activado por luz para controlar la dirección de rotación de un motor usando dos TRIACS (ver figura 10). Cuando la luz le da al LASCR1 el TRIAC1 se enciende girando el motor en un sentido. Al no darle luz al LASCR1, el TRIAC1 se apaga, y al darle la luz al LASCR2, el TRIAC2 enciende, provocando el cambio de sentido de giro del motor.

Fig. 10: Esquema del Control de sentido de giro de un motor de inducción

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DETECTOR DE CRUCE POR CERO

Se denomina así a aquellos circuitos que, tal cual su nombre, se utilizan para detectar cuándo una señal determinada cambia de positivo a negativo, o viceversa. Algo muy simple sería considerar una señal que “en su parte positiva” indicará un “uno lógico” y en su parte negativa un “cero lógico”. El detector de cruce por cero es parte del circuito de detección “por nivel” para determinar si se ha recibido un “uno” o un “cero”. En nuestro caso, llamamos detector de cruce por cero al circuito usado para generar un pulso de sincronización relacionado al ángulo de fase de la alimentación AC. Su principal aplicación son los circuitos de disparo de TRIACs, dimmers, y otros sistemas que requieran la gestión sincronizada de la onda de alimentación. En el siguiente circuito (ver fig. 11) se muestra un detector de cruce por cero a partir de un amplificador operacional. Para un voltaje de referencia 0V, cuando la onda sinusoidal de entrada pasa por cero y va en dirección positiva, la salida de voltaje se dirige a saturación negativa. De forma similar, cuando pasa por cero y va a dirección negativa, el voltaje de salida se conduce a saturación positiva. Los diodos D1 y D2 también se denominan diodos clamp, y se usan para proteger el operacional de daños debido al incremento en el voltaje de entrada. Los diodos “amordazan” el voltaje de entrada a su valor de caída en ambas polarizaciones, es decir, si la caída de los diodos es 0.7V, se “amordaza” bien a +0.7V o a -0.7V.

Fig. 11: Esquema del Detector de Cruce por Cero 14

En ciertas aplicaciones, el voltaje de entrada puede ser una onda de baja frecuencia. Esto causa un tiempo de retraso para el voltaje de entrada al cruzar por cero, que se traduce en un retraso posterior en el voltaje de salida al conmutar entre el mayor y el menor nivel de saturación. Al mismo tiempo, el ruido de entrada en el operacional puede ocasionar que el voltaje de salida cambie de nivel de saturación, lo que implica que el cruce por cero se detecte para voltaje de ruido. Esta dificultad se puede remover usando un circuito de realimentación regenerativa con feedback positivo (ver figura 12), que haga que el voltaje de salida cambie más rápido, eliminando la posibilidad de cualquier cruce falso por cero debido a ruido en el amplificador operacional.

Fig. 12: Esquema de un Disparador Schmitt

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CONCLUSIÓN

Se concluye que los modelos de tiristores expuestos son de enorme importancia para el área de la electrónica de potencia, pues permiten engranar de forma eficiente, e incluso se puede decir que hacen posible, el área de control con los conocimientos de electrónica en procesos de alto consumo de potencia. Desde el SCR (incluyendo el LASCR) hasta el GTO, se puede apreciar la gran influencia en la vida cotidiana de circuitos cuyo funcionamiento tiene raíz en lo que aportan estos componentes. Cabe destacar que se pudo apreciar con el circuito base DIAC-TRIAC el amplio campo de dispositivos que se pueden construir al integrar más de un componente de la familia de los tiristores, a fines de optimizar control. En el caso del detector de cruce por cero, es fundamental destacar su gran relevancia en cuanto a control y regulación de procesos de alta potencia se refiere, pues sin un circuito que sea capaz de sincronizar el sistema de control con la alimentación no se podría lograr una gestión eficiente del proceso a regular, desde el giro de un motor hasta la intensidad con la que ilumina una lámpara, o la cantidad de calor que entrega un calentador.

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