¿QUÉ ES EL TIRISTOR?
Es un dispositivo rectificador
unidireccional (es decir, que deja circular la corriente eléctrica en un solo
sentido: desde A hacia K como un diodo rectificador semiconductor), pero además
del estado "on" (cerrado, conduciendo) del diodo común, tiene
un segundo estado estable: "off" (cortado, abierto, sin
conducir). Si el voltaje VGK entre G y K es el
adecuado, conduce desde A hacia K.
Su nombre "SCR" (Silicon
Controlled Rectifier) proviene de ser como un rectificador de silicio, pero
controlado a través de G. Es la versión en estado sólido de las antiguas
válvulas termoiónicas llamadas thyratron, y de ahí su nombre "thyristor": thyratron y transistor.
La versión para corriente alterna
(AC, Altern Current) del tiristor es el TRIAC. Mientras
que el tiristor es un diodo controlado y por lo tanto, en general se utiliza en
circuitos de control de corriente continua (DC, Direct Current), el
triac es como un tiristor bidireccional, para utilizar en circuitos AC.
Los terminales del triac en vez de K y
A se denominan "terminal principal 1" (Main Terminal 1, MT1) y
"terminal principal 2" (MT2), o simplemente "terminales 1 y
2", T1 y T2 (El electrodo de control también se denomina puerta,
G, como en el tiristor).
Si el voltaje VG1 entre
G y T1 es suficientemente positivo, en el primer semiciclo AC con VAK positivo
(sentido "directo" o forward) conduce desde T2 hacia T1
(como lo haría un tiristor). Pero en el otro semiciclo VAK negativo
(sentido "inverso" o reverse), si el voltaje VG1 es
suficientemente negativo, el triac también conduce al revés, desde T1 hacia T2.
En la Figura siguiente se muestra el
símbolo del SCR y el símbolo del triac, en circuitos básicos donde una fuente
DC y otra AC "alimentan" a una carga a través del respectivo
dispositivo de conmutación.
En la parte inferior derecha se
muestran dos tiristores conectados en "anti-paralelo" (back-to-back),
indicando que la función del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese
modo.
Fig. 1: Se muestran los símbolos del thyristor y
del triac en 2 esquemas básicos, donde una fuente DC y otra AC
alimentan una carga a través de estos dispositivos de conmutación (se han
omitido los circuitos de disparo).
¿PARA QUÉ SIRVE?
Además de la función de rectificación
controlada del tiristor, éste y el triac sirven como dispositivos de
conmutación de estado sólido en DC y en AC respectivamente. Es decir,
son como interruptores (switches) pero compactos y pequeños, sin
calefactor y de bajo consumo, rápidos y silenciosos, sin partes móviles ni
contactos electromecánicos, sin chispas ni necesidad de mantención, y que
además pueden controlarse electrónica y ópticamente.
Estos componentes se utilizan en
circuitos muy diferentes, como por ejemplo controles de velocidad de motores,
regulador de intensidad de iluminación de ampolletas (dimmers y
luces "psicodélicas"), para activar sistemas de protección, o
en convertidores de voltaje para viajes, cargadores de baterías,
magnetizadores de imanes, relays de
estado sólido (SSRs), controles de temperatura de hornos y de potencia de calefactores.
¿DE QUÉ ESTÁ HECHO?
El tamaño de un SCR o de un TRIAC puede
ser relativamente pequeño o grande, ya que como en el caso de los transistores
y los circuitos integrados en general, el encapsulado (que es lo que vemos
desde fuera) varía según la potencia que deban disipar y la corriente máxima de
trabajo que deban tolerar. Hay algunos enormes, para más de 1500 A, de
diámetros entre 5 y 10 cm y con cátodos y ánodos del grosor de un dedo. Estos
pueden costar unos USD 1000 o más! Otros, en cambio, son pequeños (menos de 1
cm3), muy económicos (menos de USD 2), y operan con corrientes
menores que 5A o disipando menos de 5W.
El triac BT 136-600 en encapsulado
TO220 que se muestra en la Figura siguiente (sobre la esquina superior derecha
de la página de un libro), cuesta unos USD 2, tiene una masa de 2g, mide menos
de 3 cm de largo, y conduce hasta 4 A, en circuitos AC con voltaje de red V RMS =
380V.
Fig. 2: Triac BT 136-600 sobre un manual Motorola de dispositivos de disparo y de conmutación.
Como los diodos semiconductores de
silicio, los SCRs y los TRIACs se construyen con diferentes estructuras
de materiales semiconductores tipo-p, de silicio (Si) dopado con elementos del
Grupo III-A como el aluminio (Al), galio (Ga) o indio (In), y tipo-n,
de Si dopado con elementos del Grupo V-A como fósforo (P), arsénico (As) o
antimonio (Sb).
Un diodo rectificador de unión n-p está
formado por una unión de 2 capas, una tipo-n (el K) y
otra tipo-p(el A). La física del diodo está en la unión y en la
distribución de portadores en cada material. Pero el SCRes más
complejo, y está hecho con 4 capas pnpn de
semiconductores: tipo-p (el A), tipo-n, tipo-p (la
G) y tipo-n (el K). En el centro de la siguiente Figura se
puede ver un diagrama esquemático de su estructura. Tres capas forman un sandwich: tipo-p (el
A), tipo-n y tipo-p. Finalmente, el K se construye
difundiendo material tipo-n sobre la última capa tipo-p,
y G se conecta muy cerca de K, sobre la misma capa de material tipo-p.
El TRIAC está hecho de
forma análoga a dos tiristores puestos en antiparalelo, como si fuese un
dispositivo de 5 capas npnpn de semiconductores.
Su estructura central es un sandwich: tipo-p, tipo-n y tipo-p,
como el tiristor. Pero el material tipo-n se difunde
sobre ambas capas tipo-p, para que funcionen como
cátodos K en cada uno de los sentidos de conducción. El MT2 se conecta a una
capa tipo-p y a la tipo-n difundida sobre
ella. En el otro extremo, se hace lo mismo con el MT1. Y el G también está en
contacto con la capa tipo-p y una porción de tipo-n difundida
sobre ella.
Fig. 3: Símbolo del thyristor, su estructura, y un
modelo con 2 transistores bipolares de unión.
¿CÓMO FUNCIONA?
Se considera separadamente:
(a) Cómo conmuta
(b) Causas más importantes de disparo
(c) Principales componentes de
disparo
(a) Cómo conmuta
El funcionamiento del tiristor se puede entender como un circuito
implementado por dos transistores bipolares de unión (BJTs) (ver
Fig. anterior), en los que hay que tener en cuenta las siguientes 2
características:
(I) Cuando a un BJT pnp de
Si se le aplica un voltaje VBE (entre base B y
emisor E) suficientemente negativo (superando el umbral de -0.6 V), o cuando a
un BJT npn de Si se le aplica un voltaje VBE suficientemente
positivo (superando el umbral de +0.6 V), el transistor "se
dispara", i.e. conmuta de off a on en saturación (conduce
toda la corriente que el circuito y él mismo permitan), desde el emisor E hacia
el colector C en el pnp, o desde C hacia E en el npn.
(II) Un BJT amplifica la corriente de base IB 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 IC≈ β IB, donde β depende de la misma corriente IC.
(II) Un BJT amplifica la corriente de base IB 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 IC≈ β IB, donde β depende de la misma corriente IC.
Ahora bien, supóngase que se tiene un TIRISTOR al
que inicialmente solo se le aplica un voltaje VAK >
0 V.
Si se considera al tiristor como un transistor
Tr1 npn de ganancia β1 conectado
con un transistor Tr2 pnp de ganancia β2 como
se esquematiza a la derecha de la Figura anterior, se observa que:
(i)
Inicialmente no hay conducción (IA =
0 A; tiristor abierto, off).
(ii)
Cuando se aplica un voltaje VGK de
G a K suficientemente positivo (VBE1 > 0.6V), una
corriente de puerta IG (≈ IB1)
dispara al tiristor, comenzando la conducción desde A hacia K (conmuta de off a on;
tiristor cerrado).
(iii) Entonces, después del disparo, cuando IG = 0 A, es IB1 = IC2 ≈ β2IB2. Pero como IB2 ≡ IC1 ≈ β1IB1, se ve que las corrientes del dispositivo se ajustan para que β1 β2 ≈ 1, y por lo tanto la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IA ≡ IE2 = IC2+IB2 ≈ (β1+1) IB1.
(iii) Entonces, después del disparo, cuando IG = 0 A, es IB1 = IC2 ≈ β2IB2. Pero como IB2 ≡ IC1 ≈ β1IB1, se ve que las corrientes del dispositivo se ajustan para que β1 β2 ≈ 1, y por lo tanto la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IA ≡ IE2 = IC2+IB2 ≈ (β1+1) IB1.
(iv) Mientras haya
voltaje VAK desde A hacia K suficientemente
positivo, seguirá existiendo corriente IA(aunque IG =
0 A), ya que la corriente de colector del Tr2 mantiene alimentada la
base del Tr1; y ésta es la clave de su funcionamiento:
El SCR comienza a conducir desde A hacia K por la señal que hubo en G.
El
funcionamiento del TRIAC en cada semiciclo AC, está basado en
el funcionamiento del tiristor en DC. El triac puede estudiarse como dos
tiristores conectados en anti-paralelo, pero con un solo electrodo de control
G. De hecho, en circuitos de potencia para corrientes AC superiores a 700 A,
suelen implementarse dos tiristores (ya que no existen triacs de tanta
capacidad).
En la Figura siguiente se muestran las correspondientes curvas características que resumen el comportamiento de estos elementos de conmutación:
SCR: Curva IA vs. VAK (corriente de ánodo versus voltaje ánodo-cátodo)
TRIAC: Curva I2 vs. V21 (corriente en el MT2 versus voltaje entre MT2 y MT1)
En la Figura siguiente se muestran las correspondientes curvas características que resumen el comportamiento de estos elementos de conmutación:
SCR: Curva IA vs. VAK (corriente de ánodo versus voltaje ánodo-cátodo)
TRIAC: Curva I2 vs. V21 (corriente en el MT2 versus voltaje entre MT2 y MT1)
Fig. 4: Curvas características de un thyristor y de un triac.
La zona de corte y saturación (on-off),
se encuentra en el cuadrante I para el dispositivo unidireccional (SCR) y en
los cuadrantes I y III para el bidireccional (triac). Se observa que el voltaje
principal debe llegar a un cierto valor para producir el disparo. Este valor
cambia según las condiciones en la puerta (intensidad y forma de IG y
de VGK o VG1). Una vez
disparado, el voltaje entre A y K (o entre MT2 y MT1) disminuye al valor de
conducción VON, que es de unos pocos volt (Sería "0
V" en un interruptor ideal o perfecto). Despreciando la disipación en la
puerta, este voltaje residual multiplicado por la corriente principal determina
la potencia que el encapsulado del componente debe disipar:
PD ≈ VAKIA para el tiristor, y PD ≈ V21I2 para el triac
En la curva característica del SCR
también se ve (en el cuadrante III) una corriente inversa de fuga, y para un
valor alto de voltaje inverso, la zona de ruptura donde se destruiría el dispositivo.
(b) Causas más importantes de disparo
(b) Causas más importantes de disparo
Es importante conocer que hay
diferentes mecanismos o formas o causas de disparo. El disparo
por corriente en G, se denomina cebado por puerta. Pero este
disparo puede producirse por corrientes inyectadas accidentalmente o
intencionalmente. Los casos más importantes son:
(i) Disparo por magnitud del
voltaje VAK inverso: Cuando una unión semiconductora está polarizada inversamente, hay
una fuga de corriente inversa, que depende del material, de la temperatura y de
la iluminación. Si el voltaje inverso VAK es muy
grande cuando el tiristor está en off, la corriente inversa es
mayor, y también podría dispararse accidentalmente el tiristor.
(ii) Disparo por magnitud de la rapidez
ΔVAK/Δt de cambio del voltaje inverso: Cuando el thyristor está en off y el voltaje
entre A y K cambia con un ritmo ΔVAK/Δt, se produce
una corriente iT debida a la capacidad de
transición CT, entre las cargas Δq a un
lado y al otro de la unión:
iT = Δq/Δt = (Δq/ΔVAK)
x (ΔVAK/Δt) = CT (ΔVAK/Δt)
O sea, se manifiesta el equivalente a una capacidad eléctrica dada por
O sea, se manifiesta el equivalente a una capacidad eléctrica dada por
CT ≡ Δq/ΔVAK
Por lo tanto, un valor muy grande de ΔVAK/Δt produce
un valor también grande de iT, que puede producir
accidentalmente el disparo.
(iii) Disparo por elevación de
temperatura: La corriente inversa aumenta al
doble aproximadamente cada 14°C. Por lo tanto, un aumento en la temperatura,
también podría producir un disparo accidental.
Estos casos deben tenerse en cuenta en
el diseño de circuitos con conmutadores de estado sólido.
(iv) Disparo por iluminación: Los tiristores diseñados con ventanas transparentes permiten la
creación electrón-agujero a partir de los fotones absorbidos por la unión
semiconductora polarizada inversamente. Por lo tanto, mediante la luz también
pueden dispararse tiristores. Este es el fundamento de los fototiristores (photo-thyristors o
LASCRs, Light Activated SCRs).
Por último, hay que enfatizar que tanto
los tiristores como los triacs típicos, mientras haya voltaje y esté circulando
corriente, una vez disparados siguen conduciendo ("no cortan solos").
Pero cuando el voltaje entre los electrodos principales cruza por cero y/o
desaparece la corriente, conmutan a off y hay que
volver a dispararlos. Por eso los elementos de disparo suelen sincronizarse
con el voltaje de la red o de la fuente de alimentación.
(c) Principales componentes de disparo
(c) Principales componentes de disparo
Finalmente hay que mencionar que así
como el tiristor y el triac son componentes DC y AC de conmutación (switching
devices), existen componentes DC y AC de disparo ( triggering
devices), utilizados para disparar a los tiristores y a los triacs.
Dependiendo del circuito y de la
aplicación, un tiristor se puede disparar con un conmutador
unilateral de silicio, SUS (silicon unilateral switch), que
dispara a un voltaje fijo entre 6 a 10 V. Otra opción es dispararlos con
un transistor uniunión, UJT (unijunction transistor),
que dispara a diferentes voltajes, o un transistor uniunión
programmable, PUT (programmable unijunction transistor).
También pueden dispararse con otro
tiristor, o una ampolleta de neón, o usando transistores, o relays,
o un dispositivo optoacoplado, o a través de un transformador.
Un componente importante utilizado para
disparo de SCRs es el diodo de 4 capas o diodo Shockley,
un dispositivo precursor del SCR, también de 4 capas (npnp). Tiene un
estado off como un SCR abierto, pero cuando el voltaje directo
supera cierto umbral, conmuta bruscamente a un estado on como
el de un diodo rectificador (pero con una caída de voltaje superior). Su curva
característica es similar a la curva de un varistor asimétrico.
En un circuito AC, el dispositivo de
disparo de un conmutador bidireccional, debe ser también bidireccional.
El DIAC (DIode for AC) es la versión
bidireccional del Shockley, que se utiliza como elemento de disparo
del triac. Posee un voltaje de disparo de aproximadamente -32 V y
+32 V (En algunos casos se utiliza un disparador asimétrico). Un triac también
puede dispararse con otro triac, relay, dispositivo optoacoplado, o a través de
un transformador.
Fig. 5: Símbolos y curva característica de un diac (Se encuentran adheridos a la pizarra un diac ST-2 y varios diacs DB-3).
A continuación se muestran partes de
las curvas características I vs. V de dos diacs, utilizando
un trazador de curvas (Hameg HM6042-1 (V2.01) Curve Tracer).
Con este instrumento, de los 4 cuadrantes (I y IV para polarización directa; II
y III para polarización inversa), solo se puede ver un cuadrante por vez.
En el eje vertical Y de la corriente tiene 8 divisiones (div.Y) y un selector con 3 escalas: 0-2 mA (0.25 mA/div.Y), 0-20 mA (2.5 mA/div.Y) y 0-200 mA (25 mA/div.Y).
En el eje horizontal X del voltaje tiene 10 divisiones (div.X) y un selector con 3 escalas: 0-2 V (0.2 V/div.X), 0-10 V (1 V/div.X) y 0-40 V (4 V/div.X).
En el eje vertical Y de la corriente tiene 8 divisiones (div.Y) y un selector con 3 escalas: 0-2 mA (0.25 mA/div.Y), 0-20 mA (2.5 mA/div.Y) y 0-200 mA (25 mA/div.Y).
En el eje horizontal X del voltaje tiene 10 divisiones (div.X) y un selector con 3 escalas: 0-2 V (0.2 V/div.X), 0-10 V (1 V/div.X) y 0-40 V (4 V/div.X).
Fig. 6: Cuadrante I de la curva característica (0.25mA/div.Y; 4V/div.X) de un diac tipo ST-2 de silicio (Diffused Silicon Bidirectional Trigger) de 32V/200μA (Breakover Voltage/Current). En el instrumento se observa un voltaje de disparo VBO ≈ 32.9V.
Fig. 7: Cuadrante I de la curva característica (0.25mA/div.Y; 4V/div.X) de un diac tipo DB-3 (de la Serie DB3/DB4 de STMicroelectronics) de 32V/50μA, de 0.15g y con encapsulado DO-35 (∅2mm, largo ≈4mm). El instrumento indica VBO ≈ 31.5V.
REFERENCIAS
(1) Lilen H 1973
Thiristors et Triacs; Seconde édition (Paris: Radio) Traducción al
Castellano: 1976 Tiristores y Triacs (Barcelona: Marcombo)
(2) Motorola Inc.
1989 Thyristor Device Data; Serie C, 3rd Printing DL 137 REV 3 (USA:
Motorola)
(3) Hempel H-P 1980
Semikron Power Semiconductor Handbook (Nuremberg: Semikron International);
Traducido al Inglés
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