Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas
(pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante
circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia.
La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es
fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite
o impide el paso de la corriente a través de ella. Así como los transistores
pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en
cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción.
Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este tutorial los tipos
más significativos: Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS
(Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.
1 EL DIODO SHOCKLEY
El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido
por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como
un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un
cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción. La conducción continúa
hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico (IH).
Figura 1: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley
1.1 CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD
Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, sólo habrá una
corriente muy pequeña hasta que se alcance la tensión de ruptura (VRB).
Figura 2: Característica
I-V del diodo Shockley
En polarización positiva,
se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensión VB0.
Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión disminuye
hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la práctica,
por los componentes externos. La conducción continuará hasta que de algún modo
la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento IH.
La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene
un límite impuesto por el propio componente (IMAX), que si
se supera llevará a la destrucción del mismo. Por esta razón, será necesario
diseñar el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no
se supere este valor de corriente. Otro parámetro que al superarse puede provocar
la ruptura del dispositivo es VRB, ya que provocaría
un fenómeno de avalancha similar al de un diodo convencional.
1.2 EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSION
En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de
conducción de 10 V. Por tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir,
de 9 V, el diodo está abierto, no circula corriente por él y la lámpara estará
apagada. Pero si la tensión de la fuente supera, por una falla en su funcionamiento
una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación y la lámpara se enciende.
Permanecerá encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensión vuelva a 9V, mostrando
de esta manera que ha habido una falla. La única forma de apagar la lámpara
sería desconectar la alimentación.
Figura 3: Detector de sobretensión
2 SCR (SILICON CONTROLLED
RECTIFIER)
El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con
la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual
que el diodo Shockley, presenta dos estados de operación: abierto y cerrado,
como si se tratase de un interruptor.
Figura 4: Construcción básica y símbolo del SCR
2.1 CARACTERISTICA TENSION INTENSIDAD
Tal y como se aprecia en la Figura 5, la parte de polarización inversa de la
curva es análoga a la del diodo Shockley.
Figura
5: Característica del SCR
En cuanto a la parte de
polarización positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensión
en el terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo
y cátodo cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rápidamente,
quedando limitada en la práctica por componentes externos.
Podemos ver en la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán
la destrucción del SCR si se superan: VRB e IMAX.
VRB (Reverse Breakdown Voltage) es, al igual que en el diodo
Shockley, la tensión a partir de la cual se produce el fenómeno de avalancha.
IMAX es la corriente máxima que puede soportar el SCR sin
sufrir daño. Los otros dos valores importantes son la tensión de cebado VBO
(Forward Breakover Voltage) y la corriente de mantenimiento IH,
magnitudes análogas a las explicadas para el diodo Shockley.
2.2 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 figuras Figura 6 y Figura 7.
Figura
6: Apertura del SCR mediante interrupción de la corriente anódica
En la Figura 6 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 conducir.
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 7, 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 7: Desconexión del SCR mediante
conmutación forzada
2.3 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 8 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 8.
Figura
8: (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 8 (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 8 (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 9. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo
en AC sea aplicado a la gate del SCR.
Figura 9: Disparos cíclicos para control
de potencia
3 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.
Figura 10:
Símbolo del GCS
Los GCS están diseñados
para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas pocas decenas
de amperios.
4 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 11:
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.
5 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.
Figura 12:
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 13: Característica V-I del diac
6 EL TRIAC
Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate).
Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere
alcanzar el voltaje VBO como el diac.
Figura 14:
Construcción básica y símbolo del TRIAC.
En la curva característica
se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes
aplicadas en gate, el valor de VBO es distinto. En
la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que
presenta un valor de VBO más bajo, y es la que mayor corriente
de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir,
como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del
valor IH.
Figura 15:
Característica V-I del triac
Al igual que el SCR, se
emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede
dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga
durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que
se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de
tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.
Figura 16 Control básico de potencia con un Triac
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