Electronica de Potencia

ELECTRONICA DE POTENCIA: TIRISTORES 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 7 RESUMEN Como resumen final del tema se reflejan en una tabla las características más importantes de los tiristores que se han presentado.

TIRISTOR UNIDIRECCIONAL BIDIRECCIONAL

1 2 0 ON/OFF GATE GATE GATE

SHOCKLEY

X

X

SCR

X

X

GCS

X

X

SCS

X

X

DIAC

X

TRIAC

X

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