Las Características Estáticas y Dinámicas del Tiristor y sus Variantes (DIAC, TRIAC, SCR)

El tiristor

Se denominan tiristores a todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentación regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos dentro de esta familia, de los cuales el mas empleado con mucha diferencia es el rectificador controlado de silicio (SCR), por lo que suele aplicarsele el nombre genérico de tiristor.

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en lo circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.

                                       

CURVA CARACTERÍSTICA

La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es.
Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara.
Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente.

Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de este.Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el primer cuadrante de la curva.

Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.

Características estáticas:

Estudian el comportamiento del tiristor entre A (ánodo) y K (cátodo), con la G (puerta) abierta. Son valores máximos que nunca deben ser superados en el funcionamiento del tiristor.

VRWN --> Tensión inversa de Trabajo máximo

VFDM --> Tensión directa de Trabajo máximo

VFT --> Caída de tensión directa de cebado

IFAV, Ief --> Corriente media y corriente eficaz

IFD --> corriente directa de fugas (en corte)

IR --> Corriente inversa de fugas

TF --> Temperatura de funcionamiento

IH --> Corriente de mantenimiento

Características de Control

Estudian el comportamiento del tiristor entre G y K, y determinan el circuito de disparo.

VGFS --> Tensión directa de puerta máxima (accidental)

VGRS --> Tensión inversa de puerta máxima (accidental)

IGFS --> Corriente de puerta directa máxima (accidental)

VGT --> Tensión mínima para el cebado

IGT --> Corriente mínima para el cebado

VGNTM --> Tensión residual máxima que no ceba el tiristor

IGNTM --> Corriente residual máxima que no ceba el tiristor

PGAV --> Potencia media disipada

PGFS --> Potencia máxima (accidental)

Aparte el fabricante da una gráfica llamada característica de control, que consta de:

1- Curva de dispersión

2- Parábola máxima de disipación

3- Zona de funcionamiento mínimo

Características dinámicas:

Estudian el comportamiento del tiristor en régimen transitorio.

Comportamiento del tiristor frente a sobretensiones: Podemos sobrepasar durante un tiempo menos de 10 ms, la tensión VRWM sin peligro de dañar al tiristor. Por ejemplo:

El tiristor (BT W 30 / 800RS) donde "B" significa silicio "T" tiristor y 800 es la tensión máxima, el cual también puede ser 1000 y 1200.

Comportamiento del tiristor frente a sobrecorrientes: Podemos sobrepasar durante un tiempo menor de 10 ms, la corriente IFAV o Ief sin peligro a dañar el tiristor. Por ejemplo:

El tiristor (BT W 30 / 800RS) puede aguantar hasta IT (AV)=16 A, IT (RMS)=24A.

Características de conmutación:

Ton --> tiempo de cebado; Toff --> tiempo de descebado o de bloqueo

Ton: A partir del momento en que aplicamos una señal en la puerta del tiristor, necesita un tiempo para cebarse, llamado tiempo de cebado (Ton). Este tiempo es suma de dos tiempos:

1- Tiempo de retardo (t1): es el tiempo que tarda el tiristor en disminuir la tensión A-K al 90% de su valor máximo, desde el momento de aplicar la señal de puerta

2- Tiempo de subida (t2): es el tiempo que tarda el tiristor en disminuir la tensión entre A-K del 90% al 10% de su valor máximo.

Toff: A partir del momento en que la corriente por el tiristor desciende por debajo de IH, el tiristor necesita un tiempo para bloquearse, llamado tiempo de de cebado o de bloqueo.

SCR

El más representativo de todos es el SCR (Silicon Controlled Rectifier), hasta el punto que se le llama también tiristor. Es el que se va a utilizar para estudiar las características más representativas de esta familia.

A las cuatro capas que forman el tiristor se les denomina:

· P1 - Capa anódica, ya que es la capa del ánodo. Tiene un espesor intermedio y esta muy dopada.

· N1 - Capa de bloqueo, es la más grande de todas y su concentración de impurezas es baja. Forma dos uniones: junto con P1 la unión de cátodo y junto a P2 la unión de control.

· P2 - Capa de control, es delgada para que facilite la llegada a N1 de los electrones que emita N2. Junto a N2 forma la unión de cátodo.

· N2 - Capa catódica, está muy dopada para facilitar la emisión de electrones hacia la unión de control y mejorar el contacto eléctrico de la soldadura de cátodo.

 Al SCR se le puede polarizar de dos formas: polarización directa y polarización inversa:

 Polarización Inversa

El SCR en polarización inversa, posee dos uniones polarizadas inversamente: unión de ánodo y unión de cátodo. Realmente es la unión de ánodo la que soporta casi toda la tensión, ya que la unión de cátodo al ser tan fina y tener un nivel de portadores elevados, su resistencia equivalente es baja. En este estado, el SCR deja pasar una intensidad de fugas pequeña y soporta prácticamente toda la tensión de la fuente. Si se aumenta la tensión de polarización llega un momento en el que se produce la ruptura. 

Polarización Directa

En polarización directa, el SCR puede estar en dos situaciones: Bloqueado o conduciendo. 

Si la puerta está polarizada a través de una resistencia con el cátodo o no polarizada, al aplicar una tensión directa al SCR, éste se mantiene bloqueado, ya que la unión de control está polarizada inversamente y por tanto sólo circula la intensidad de fugas.

 

Si se consigue que a través del SCR circule, en cualquier zona de la unión de control, una densidad de corriente adecuada, éste pasará a estar en modo de conducción.

 

A un SCR que se encuentre en polarización directa bloqueado y que por un método cualquiera se le fuerce al estado de conducción se dice que se ha cebado.

 

Los valores más importantes en estos estados son:

                A - En bloqueo:

· I_D - Intensidad de fugas en polarización directa.

· U_DW - Tensión directa de trabajo.

· U_DRM - Tensión directa máxima de pico repetitivo.

· U_DSM - Tensión directa máxima de pico no repetitivo.

 · U_D(BO) - Tensión directa de ruptura.

 

                B - En conducción:

· U_F - Caída de tensión en conducción.

· I_FRM - Intensidad máxima de pico repetitivo.

· I_FSM - Intensidad máxima de pico no repetitivo.

· I_F(RMS) - Intensidad eficaz.

· I_F(AV) - Intensidad media.

· I_L - Intensidad de enganche.

· I_H - Intensidad de mantenimiento.

SCR. Características dinámicas.

 

En el tiristor, como en los otros semiconductores de potencia, las conmutaciones no son instantáneas sino que requiere unos tiempos.

 

Los tiempos que se producen durante el cebado (figura 1.34) son:

· t_d – es el tiempo que transcurre desde que la intensidad de cebado alcanza el 10% de su valor máximo, hasta que la tensión ánodo cátodo disminuye al 90% de su valor inicial. Este tiempo es debido al tiempo que necesitan los electrones inyectados por el cátodo para llegar a la zona de control y neutralizar la barrera de potencial de la unión de control.

El TRIAC

Es un tiristor bidireccional, es decir puede conducir en ambos sentidos, de ahí que a sus terminales no se les llame ánodo y cátodo sino A1 y A2.  En la figura se ha dibujado la estructura equivalente de un triac y la curva característica. Como se puede observar el triac puede conducir en dos cuadrantes de la gráfica, cuadrante I y cuadrante III. En ambos cuadrantes se puede cebar aplicando impulsos por la puerta tanto positivos como negativos, de ahí que se diga que hay cuatro formas de cebar un triac.

Modo	Tensión en A2	Tensión en G
I+	+	+
I-	+	-
III+	-	+
III-	-	-

  

El triac equivale a dos tiristores en antiparalelo, en el cuadrante I la intensidad circula por el tiristor formado por las capas P1N1P2N2  y en el cuadrante III lo haría por el tiristor N3P1N1P2.

 

La complejidad de la estructura hace que el triac sea más delicado frente a derivadas de intensidad (di/dt), derivadas de tensión (du/dt) y la capacidad para soportar sobreintensidades es inferior. Se fabrican hasta unos 200 A y 1000 V. 

Características 

• La corriente puede pasar en ambas direcciones.
• Adecuados para convertidores de conmutación forzada en aplicaciones de potencia intermedia y alta.
• Control del encendido por corriente de puerta (pulso).
• No es posible apagarlo desde la puerta.
• Pueden apagarse con un pulso de señal negativo.

El DIAC

 Es un triac sin el terminal de puerta que se dispara a tensiones de unos 30 V. 

Los DIAC son una clase de Tiritor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, ánodo 1 y ánodo 2. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

Características

• Es otro dispositivo tiristor y se usa normalmente para disparar a un TRIAC.
• Se comporta como dos Diodos Zener conectados en paralelo pero orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.
• Normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga, la conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanz.

  

 

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en 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 prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.