tiristores

5/11/2018 tiristores - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tiristores-55a230fb710c0 1/39

TIRISTORES



Tiristores de Potencia

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivossemiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensaen los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son

interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticosexhiben ciertas características y limitaciones.Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructurapnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. El objetivo de los tiristores es controlar la cantidad de energía que le llega a una

carga en un tiempo determinado.



Clasificación de los tiristores

• Rectificadores controlados por silicio (SCR)

•

Triodo de corriente alterna (TRIAC)

• Transistor de apagado por compuerta (GTO)



Funcionamiento básico de los tiristores

• Cuando la tensión entre el

ánodo y el cátodo es cero, la

intensidad del ánodo

también lo es.

• Hasta que no se alcance la

tensión de bloqueo (odisparo) (VBO) en la puerta,

el tiristor no se dispara.

Cuando se alcanza dicha

tensión, se percibe un

aumento de la intensidad enel ánodo (IA), disminuye la

tensión entre el ánodo y

cátodo, comportándose así

como un diodo polarizado

directamente.



Funcionamiento básico de los tiristores

•

Si se reduce la corriente queva desde ánodo al cátodo

hasta un mínimo llamado

corriente de mantenimiento,

el tiristor entra en bloqueo, y

no conduce.

• Si se polariza inversamente,

se observa una débil

corriente inversa (de fuga)

hasta que alcanza el punto de

tensión inversa máxima queprovoca la destrucción del

mismo. Se puede decir que

un tiristor es como un diodo

controlado por una puerta

(G).



Formas de activar un tiristor

• Luz: si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar almismo silicio, el número de pares electrón hueco aumentará pudiéndoseactivar el tiristor.

• Corriente de Compuerta: para un tiristor polarizado en directa, lainyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo

entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente decompuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en laactivación del dispositivo.

• Térmica: una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento

del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán lascorrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar aser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podríacomprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se

establece este método como método de activación, esta fuga tiende aevitarse.



Formas de activar un tiristor

Alto Voltaje: si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayorque el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga losuficientemente grande para que se inicie la activación conretroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el

dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo.

dv/dt: si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es losuficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede sersuficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el

dispositivo.



SCR

E L M I E M B R O M Á S I M P O R T A N T E D E L A F A M I L I A D E L O ST I R I S T O R E S F U E D E S A R R O L L A D O P O R G E N E R A L

E L E C T R I C E N 1 9 5 8 . E L N O M B R E L O A D O P T OP O S T E R I O R M E N T E L A C O M I S I Ó N E L E C T R O T É C N I C A I N T E R N A C I O N A L ( C E I ) .



Son los dispositivos de uso más común en los

circuitos de control de potencia. Actualmente seencuentran en clasificaciones que van desde unospocos amperios hasta un máximo de 3000 A.



Un SCR posee tres conexiones:

Ánodo Cátodo

Puerta.

La puerta es la encargada de controlar el paso decorriente entre el ánodo y el cátodo.



Estructura interna del SCR E L R E C T I F I C A D O R C O N T R O L A D O D E S I L I C I O ( E N I N G L É S S C R : S I L I C O N C O N T R O L L E D R E C T I F I E R ) E S U NT I P O D E T I R I S T O R F O R M A D O P O R C U A T R O C A P A S D EM A T E R I A L S E M I C O N D U C T O R C O N E S T R U C T U R A P N P N OB I E N N P N P .



Sección transversal vertical de un SCR



Área de disparo seguro

• Curva A y B: límite superior e inferior de latensión puerta-cátodo en función de la corrientepositiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.

• Curva C: tensión directa de pico admisible V GF. • Curva D: hipérbola de la potencia media máxima

PGAV que no debemos sobrepasar.



Área de disparo



Ángulo de disparo

Con el circuito anterior se puede variar elmomento en que se aplican los valores decorriente y voltaje de compuerta necesarios parala conducción del SCR (IGT, V GT). Esto se da

mediante la variación de R2. El tiempo transcurrido desde el cruce por cero

de la señal de voltaje de corriente alterna y elmomento en que se da la corriente necesaria parala conducción, se conoce como ángulo dedisparo ( α ).



En este caso R2 en a > b



Circuitos de control de compuerta paraSCR para obtener ángulos mayores de

90º



El func ionamien to de l sc r se puede en tender como un

c i rcu i to implementado por dos t rans i s tores b ipo lares de

unión (bj t s ) (ve r f ig . ) , en los que hay que t ene r en

cuen ta l a s s igu ien tes 2 ca rac te r í s t i cas :

Funcionamiento del SCR (Modelo a 2 Transistores)

¿Cómo funciona?



1. Cuando a un BJT pnp de Si se le aplica un voltaje V BE suficientemente

negativo o cuando a un BJT npn de Si se le aplica un

voltaje V BE suficientemente positivo el transistor "se dispara", i.e. conmuta

de off a on en saturación, desde el emisor E hacia el colector C en el pnp,

o desde C hacia E en el npn.

2. Un BJT amplifica la corriente de base I B en un factor dado

aproximadamente por el parámetro denominado " β (beta) del transistor" (o"ganancia de corriente"). Es decir que la corriente de colector es I C ≈ β I B,

donde β depende de la misma corriente I C.




Si se considera al SCR como untransistor Tr1 npn de

ganancia β 1 conectado con un

transistor Tr2 pnp de

ganancia β 2 como se esquematiza a la

derecha de la Figura, se observa que:

Entonces, después del disparo,cuando I G = 0 A,es I B1 = I C2 ≈ β2 I B2. Perocomo I B2 ≡ I C1 ≈ β1 I B1, se ve que lascorrientes del dispositivo se

ajustan para que β1 β2 ≈ 1, y por lotanto la corriente de ánodo I A deltiristor visto como 2 transistores,resulta aproximadamente iguala I A ≡ I E2 = I C2+ I B2 ≈ ( β1+1) I B1.




Los SCR no son interruptores

perfectos, necesitan un tiempo para

pasar de corte a conducción y

viceversa.

Tiempo de encendido (Ton

):

Es el tiempo que tarda el tiristor en

pasar de corte a conducción. Se

divide en dos partes.

• Tiempo de retardo

(td) • Tiempo de subida(tr)

Características de Conmutación

Ton = td + tr



Tiempo de apagado (Toff ):

Es el tiempo que tarda el

tiristor en pasar de

conducción a corte. Se divide

en dos partes.

Tiempo de recuperación

inversa (trr)

Tiempo de recuperación

de puerta (tgr)

Características de Conmutación

Toff = trr + tgr



Diac

Es un dispositivo semiconductor de dos conexiones

Es un diodo bidireccional disparable que conduce la

corriente sólo tras haberse superado su tensión de

disparo Es un dispositivo semiconductor de dos

terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa comoun interruptor bidireccional el cual se activa

cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre20 y 36 volts según la referencia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:D3capas_sym.PNG



¿Qué es el TRIAC?26

Es un componente electrónico, internamentesemejante a dos SCR conectados inversamen-te enparalelo.

Debe su nombre a “TRIode for A lternatingCurrent”

Es usado para trabajo en corriente alterna.




Es un componente electrónico, internamentesemejante a dos SCR conectados inversamen-te enparalelo.

Debe su nombre a “TRIode for A lternatingCurrent”

Es usado para trabajo en corriente alterna.




Su simbología, estructura y encapsulados son:

Donde A1 y A2, son los ánodos, y G es la puerta(análoga a la del tiristor)




Se puede modelar con dos transistores BJT, como

muestra la figura.




Funciona como un tiristor de cuatro capas,pero la estructura real contiene seis.

La conducción puede ser de dos formas. En sentido A2-A1 o viceversa. La capa N3 facilita el disparo conintensidad de puerta negativa.



Métodos de disparo.31

Por corriente continua.

El disparo proviene de una fuente de tensión continua

aplicada al triac a través de una resistencia limitadora



Métodos de disparo.32

Por corriente alterna.

Se puede realizar mediante el empleo de untransformador que suministre la tensión, o bien

directamente a partir de la propia tensión de la red conuna resistencia limitadora de la corriente de puertaadecuada y algún elemento interruptor que entregue laexcitación a la puerta.



Comparativa y Aplicaciones.33

SCR: 0,8 a 40 A. 1200 V.

TRIAC: 4 a 16 A. 600-800 V

Mosfet: 2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones : Control de motores. aplicacionesdomésticas. Cargadores de baterías. Control de

iluminación. Control numérico. Ordenadores



Ventajas sobre otros dispositivos.34

En comparación con el SCR, ofrece un mayor rango

de operación, pues opera en ambas en ambas zonas de

la señal AC, no así el SCR que solo opera en la parte

positiva, lo que significa que el dispositivo conduceen una sola dirección.

Como interruptor estático ofrece muchas ventajas

sobre los interruptores mecánicos convencionales, por

que estos últimos necesitan del movimiento de uncontacto. En cambio el TRIAC, siempre se dispara

cada medio ciclo, cuando la corriente pasa por cero.



Desventajas sobre otros dispositivos35

Comparado con un relé, el TRIAC soporta po-ca

potencia, ya que a través de el puede pasar como

máximo una corriente de 16 A.

Es factible su uso para el control de cargas re-sistivas,no así en cargas inductivas, como los motores de

inducción, puesto que el cambio en el voltaje promedio

afecta el torque.

Aplicaciones



Aplicaciones

Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o

voltajes muy grandes

Los tiristores pueden ser usados también como elementos de

control en controladores accionados por ángulos de fase.

En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como

fuente de energía o potencial

La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para

controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de

tensión.

Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna.

Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos



Fabricación

Técnica de Difusión-Aleación: La parte principal deltiristor está compuesta por un disco de silicio de materialtipo N, 2 uniones se obtienen en una operación de difusióncon galio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del

disco. En la cara exterior se forma una unión, con uncontacto oro-antimonio.

Técnica “Todo Difusión”: Las 2 capas P se obtienen por

difusión del galio o el aluminio, mientras que las capas N seobtienen mediante el sistema de máscaras de óxido.



Técnica de Barrera Aislante: Se parte de un sustrato de silicio

tipo N que se oxida por las dos caras, después en cada una de las

2 caras se hace la difusión con material tipo P. Una difusión muy

duradera y a altas temperaturas produce la unión de las 2 zonas P.

Después de este proceso se elimina todo el óxido de una de lascaras y se abre una ventana en la otra, se realiza entonces en

orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P.

Fabricación

tiristores

Documents