Tiristores:

• Características.
• Modelo dos transistores.
• Activación del tiristor.
• Clasificación.

Transistores

Diodos

Características de los tiristores:

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J₁ y J₃ tienen polarización directa o positiva. La unión J₂ tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo I_D. Si el voltaje ánodo a cátodo V_AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J₂ polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa V_BO. Dado que las uniones J₁ y J₃ ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.

Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn.

La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche I_L, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, I_L, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta.

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J₂ no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento I_H, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J₂ debido al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, I_L. Esto significa que I_L>I_H. La corriente de mantenimiento I_H es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J₂ tiene polarización directa, pero las unioneJ₁ y J₃ tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa I_R, fluirá a través del dispositivo.

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Modelo de tiristor de dos transistores:

Fig. 2. Modelo de tiristor de dos terminales.

La corriente del colector I_C de un tiristor se relaciona, en general, con la corriente del emisor I_E y la corriente de fuga de la unión colector-base I_CBO, como:

La ganancia de corriente de base común se define como a =I_C/I_E. Para el transistor Q₁ la corriente del emisor es la corriente del ánodo I_A, y la corriente del colector I_C1 se puede determinar a partir de la ecuación (1):

donde a₁ es la ganancia de corriente y I_CBO1 es la corriente de fuga para Q₁. En forma similar para el transistor Q₂, la corriente del colector I_C2 es:

donde a₂ es la ganancia de corriente y I_CBO2 es la corriente de fuga correspondiente a Q₂. Al combinar I_C1 e I_C2, obtenemos:

Pero para una corriente de compuerta igual a I_G, I_K=I_A+I_G resolviendo la ecuación anterior en función de I_A obtenemos:

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Activación del tiristor:

TERMICA. Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que a₁ y a₂ aumenten. Debido a la acción regenerativa (a₁ + a₂) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.

LUZ. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.

ALTO VOLTAJE. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo V_BO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

dv/dt. Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.

CORRIENTE DE COMPUERTA. Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, podiendo llegar a activarse.

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Tipos de tiristores:

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).
2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
3. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
4. Tiristores de conducción inversa (RTC).
5. Tiristores de inducción estática (SITH).
6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR).
7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH).
8. Tiristores controlados por MOS (MCT).

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Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).

Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN.

Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve V_BO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de I_H. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.

Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A.

Un SCR.

1. Se activa cuando el voltaje V_D que lo alimenta excede V_BO
2. Tiene un voltaje de ruptura V_BO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente i_G, presente en el SCR
3. Se desactiva cuando la corriente i_D que fluye por él cae por debajo de I_H
4. Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso.

[clasificación]

Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).

Entre las mejoras más recientes que se le han hecho al tiristor está el apagado por compuerta (GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente i_D excede I_H. Aunque los tiristores GTO se han venido usando desde 1960, solamente se volvieron prácticos para las aplicaciones de control de motores, al final de los años setenta. Estos dispositivos se han vuelto más y más comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato.

[clasificación]

Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).

Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se ilustra en la figura siguiente. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de I_H.

Tiristores de conducción inversa (RTC).

Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura siguiente. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v y la especificación de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a 40v. Dado que para un dispositivo determinado está preestablecida la relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños de circuitos específicos.

Tiristores de inducción estática (SITH).

Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6m s. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características.

[clasificación]

Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR).

Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/m s.

[clasificación]

Tiristores controlados por FET (FET-CTH).

Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante control de compuerta. Esto serviría en aplicaciones en las que un disparo óptico debe utilizarse con el fin de proporcionar un aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia.

Tiristores controlados por MOS (MCT).

Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo V_GA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E₂ de Q₂ (fuente S₁ del MOSFET M₁ del canal p) a través del canal p hacia la base p B₁ de Q_l (que es drenaje D₁ del MOSFET M₁, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q₁. A continuación e1 emisor n+ E₁ de Q₁, inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C₁) que hace que el emisor p E₂ inyecte huecos en la base n B₂, de tal forma que se active el transistor PNP Q₂ y engancha al MCT. En breve, un V_GA de compuerta negativa activa al MOSFET M₁ canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q₂.

Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo V_GA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B₂ de Q₂ (fuente S₂ del MOSFET M₂ del canal n) a través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Q_l (drenaje D₂ del MOSFET M₂ del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del transistor PNP Q₂ de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá huecos disponibles para recolección por la base p B₁ de Q₁ (y el colector p C₂ de Q₂). La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B₁, hace que se desactive el transistor NPN Q₁, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta V_GA, desvía la corriente que excita la base de Q_l, desactivando por lo tanto el MCT.

El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado.

Un MCT tiene:

1. Una baja caída de voltaje directo durante la conducción;
2. Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4m s, y un tiempo de desactivado rápido, típicamente 1.25m s, para un MCT de 300A, 500v;
3. Bajas perdidas de conmutación;
4. Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso.
5. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua a fin de evitar ambigüedad de estado.

[clasificación]

Transistores:

Los transistores son utilizados como interruptores electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación de estos se diseñan para que éstos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Los transistores tienen la ventaja de que proporcionan un control de activación y de desactivación, mientras que el SCR sólo dispone de control de activación. Se utilizan los transistores de unión bipolar (BJT), los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). El BJT es un dispositivo controlado por corriente. El MOSFET es un dispositivo controlado por tensión, el circuito de excitación es más sencillo que el utilizado en un BJT. El IGBT es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación es como el de un MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. Este dispositivo es adecuado para velocidades de conmutación de hasta aproximadamente 20 kHz.

Figura 8. Símbolo del transistor bipolar.
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Es el interruptor electrónico más simple. No se puede controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito las que determinan el estado de conducción y de corte del diodo. El diodo está polarizado en directa cuando la corriente que lo atraviesa es positiva, es decir cuando esta circula desde el ánodo hacia el cátodo y está polarizado en inversa cuando la tensión entre el ánodo y cátodo es negativa. Una característica dinámica importante de un diodo real es la corriente de recuperación inversa, esta es la corriente negativa que circula por el diodo al pasar de conducción a corte antes de que alcance el valor cero. El tiempo de recuperación es normalmente inferior a 1 µs.