SCR
La corriente de mantenimiento
Para mantener un tiristor en estado conductor es necesario que exista una corriente mínima que mantenga la conducción del SCR; en caso contrario, pasará al estado “bloqueado”, Esta corriente, IH, es la corriente mantenimiento. Para una aplicación dada, será pues necesario elegir un tiristor cuya corriente de mantenimiento sea inferior al valor mínimo de la corriente alcanzada en el circuito, ya corregida de las posibles variaciones debidas a la temperatura.
La corriente de mantenimiento varía con:
· La sensibilidad de los semiconductores. Para tiristores de baja potencia (Ic < 60 A), la corriente hipostática IH está relacionada con la variación del valor de la corriente de disparo IGT.
· La temperatura de la unión. El valor de la corriente IH está físicamente relacionado con el de la corriente de disparo IGT.
· El valor de la resistencia exterior puerta-cátodo. El usuario puede ser inducido a colocar entre la puerta y el cátodo una resistencia para mejorar su mantenimiento de tensión en caliente (derivación de las corrientes de fuga) o bien para que forme parte de la corriente de disparo.
La corriente de enganche
La corriente de enganche de un tiristor IL es el valor mínimo de la corriente principal (corriente que circula entre el ánodo y el cátodo) que permite a este serniconductor permanecer en estado conductor después de la desaparición de la corriente de control. Al igual que la corriente de mantenimiento, la corriente de enganche varía en función de un cierto número de factores, que son:
- La sensibilidad del semiconductor y el sentido de conducción. Para SCR de baja potencia, la corriente de enganche está relacionada con el valor de la corriente de disparo IGT.
- El valor de la corriente de mantenimiento. El valor de esta corriente está relacionado con el valor de la corriente de enganche IL siempre superior al valor de la corriente de mantenimiento IH. La relación IL/IH variará según la sensibilidad del semiconductor.
- La temperatura de unión. El valor de la corriente de enganche IL está relacionado físicamente con el de la corriente de puerta IGT. Estos dos parámetros varían, pues, con la temperatura de unión según una ley analógica.
- La resistencia exterior puerta-cátodo. En el caso en que se utilicen tiristores sensibles, el usuario podrá verse inducido a poner una resistencia destinada a mejorar su .mantenimiento de tensión en caliente por derivación de las corrientes de fuga. Esta resistencia influye en el valor de la corriente de enganche en virtud de la sensibilidad del semiconductor. En el caso de tiristores sensibles, esta resistencia tiene una influencia importante. En ciertas aplicaciones, el diseñador estará interesado en definir un circuito de control de alta impedancia (1000 ohmios). En el caso de SCR estándar, el valor de esta resistencia no posee una influencia importante, con la condición no obstante de que su valor no sea demasiado bajo (RGC > 20 ohmios).
CURVA DE TRANSFERENCIA
En la figura se muestra la curva característica típica de un SCR, representándose la corriente de ánodo (IA) en función de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo (VAC). Cuando la tensión VAC es nula, también lo es la intensidad de corriente IA. Al aumentar dicha tensión en sentido directo, con corriente de puerta nula, si se supera la tensión VBO, la transición de estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones VAC inferiores a VBO, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (Ig) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (IH).
ESTRUCTURA INTERNA
El SCR se asemeja a un diodo rectificador pero si el ánodo es positivo en relación al cátodo no circulará la corriente hasta que una corriente positiva se inyecte en la puerta. Luego el diodo se enciende y no se apagará hasta que no se remueva la tensión en el ánodo-cátodo, de allí el nombre rectificador controlado. Es un tipo de semiconductor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP se puede considerar como dos transistores interconectados y de doble juntura, uno PNP y el otro NPN. Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo en polarización directa si no existe corriente en la compuerta el tiristor no conduce. Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero.
POLARIZACION
El SCR tiene dos estados:
1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja
2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada
El funcionamiento del SCR se puede entender como un circuito simple formado por dos transistores bipolares:
(a) Cuando a un transistor bipolar pnp de silicio se le aplica un voltaje VBE suficientemente negativo de base (B) a emisor (E) (menor que -0.6 V), o cuando a un transistor bipolar npn de Si se le aplica un voltaje VBE suficientemente positivo de B a E (mayor que 0.6 V), el transistor conmuta de OFF a ON, es decir, se satura (conduce toda la corriente que el circuito y él mismo permitan, desde E hacia el colector C en el pnp, o desde C hacia E en el npn).
(b) Un transistor bipolar amplifica la corriente de base IB aproximadamente en un parámetro B ("beta del transistor"), es decir, la corriente de colector es aproximadamente IC = B IB. Pero el parámetro beta depende de la corriente IC.
(c) Inicialmente no hay conducción (IA = 0 A, tiristor abierto, OFF).
(d) Cuando se aplica un voltaje VGK de G a K suficientemente positivo, una corriente de puerta IG dispara al tiristor, comenzando la conducción desde A hacia K (conmuta de OFF a ON, tiristor cerrado).
(e) Después del disparo, cuando IG = 0 A, la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IA = B1 (B2+1) IB1. Del análisis del circuito, se ve que durante la conducción las corrientes se ajustan para que B1 B2 = 1.
(f) 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. Esta es la clave del funcionamiento de un SCR, que comienza a conducir desde A hacia K, por la señal que hubo en G.
RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO
El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un componente electrónico de estado sólido (sin partes móviles) de 3 terminales: ánodo (A), cátodo (K) y un electrodo de control denominado puerta (G, gate), asi como los diodos semiconductores de silicio, los SCR se construyen uniendo materiales semiconductores tipo-p, y semiconductores tipo-n en uniones pn con la disposición pnpn. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. El rectificador controlado de silicio es un dispositivo 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 (conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: OFF (cortado, sin conducir). Si el voltaje VGK entre G y K es el adecuado, conduce desde A hacia K. El SCR es un dispositivo de conmutación de estado sólido en DC y en AC respectivamente. Es decir, son como interruptores (switches) pero rápidos, silenciosos, sin partes móviles, sin contactos electromecánicos y que pueden controlarse electrónicamente. El SCR es uno de los varios dispositivos semiconductores capaces de reaccionar como rápidos interruptores para conmutar corrientes de gran intensidad. El nombre que se le asigna a estos dispositivos es de tiristores. Estos componentes se utilizan en circuitos como por ejemplo controles de velocidad de motores o de intensidad de iluminación de ampolletas (dimmers), para activar sistemas de protección, o en convertidores de voltaje para viajes, cargador de baterías, magnetizadores de imanes, relays de estado sólido (SSR), controles de temperatura de hornos, etc. El tamaño de un SCR puede ser relativamente pequeño o grande, ya que como en el caso de los transistores, el encapsulado (que es lo que vemos desde fuera) varía según la potencia que deben disipar y la corriente máxima de trabajo.
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, tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. 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. Se puede 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 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.
El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:
- tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,
- intensidad en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF - ON, usando la corriente de puerta adecuada.
Principales caracteristicas.
• Interruptor casi ideal.
• Soporta tensiones altas.
• Es capaz de controlar grandes potencias.
• Fácil controlabilidad.
• Relativa rapidez.