TIRISTORES
Se denominan tiristores a todos aquellos componentes
semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la
realimentación regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos dentro
de esta familia, de los cuales el más empleado con mucha diferencia es el
rectificador controlado de silicio (SCR), por lo que suele aplicársele el
nombre genérico de tiristor.
Es un componente con dos terminales principales, ánodo y
cátodo y uno auxiliar para disparo o puerta. Se puede decir que se comporta
como un diodo rectificador con iniciación de la conducción controlada por la
puerta: como rectificador, la conducción no es posible en sentido inverso, pero
sí en sentido directo. Sin embargo, a diferencia de los diodos, el tiristor no
conduce en sentido directo hasta que no se aplica un pulso de corriente por el
terminal de puerta. El instante de conmutación (paso de corte a conducción),
puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta,
por lo que es posible gobernar a voluntad el paso de intensidades por el elemento,
lo que hace que el tiristor sea un componente idóneo en Electrónica de Potencia,
ya que es un conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez como comprobaremos
con posterioridad.
En la siguiente figura se pueden apreciar el símbolo, estructura
y esquema equivalente del tiristor de potencia.
Características estáticas del tiristor
En la siguiente figura se muestra la curva estática del tiristor.
En dirección inversa se comporta como un diodo, bloqueando la tensión hasta que
se alcanza la tensión inversa V , que es cuando tiene lugar la ruptura por
avalancha. En la dirección RWM directa el tiristor también bloquea la tensión
hasta que llega a la ruptura de conducción en V. El tiristor estará conduciendo
mientras la corriente a su través sea mayor que BBO un valor llamado
corriente de enclavamiento o de enganche, definida como la IBO corriente de
ánodo mínima que hace bascular al tiristor del estado de bloqueo al estado de
conducción. Después, sus características son similares a las de un diodo, permaneciendo
el componente en conducción mientras la corriente de ánodo a cátodo no caiga por
debajo de un valor denominado corriente de mantenimiento IH.
Por lo tanto, dentro de las características estáticas del
tiristor, y dependiendo de la tensión que se aplique entre ánodo y cátodo,
podemos distinguir tres zonas que dan lugar a los dos estados estables que
posee: bloqueo y conducción (cebado).
Características dinámicas del tiristor
La característica de conmutación de un tiristor determina
sus pérdidas de conmutación y su frecuencia máxima de funcionamiento, de la
misma forma que se hizo para el transistor. En particular, para el caso del
tiristor las curvas de conexión y desconexión presentan el siguiente
comportamiento:
Transitorio a
conexión
La forma de la
curva de conexión es muy similar a la del transistor de potencia, donde la
corriente a través del componente aumenta según disminuye la tensión
ánodo-cátodo. El tiempo para alcanzar una conducción del 10%, medido desde la
aplicación de la excitación de puerta se denomina tiempo de retraso o retardo
(t ), y aquel entre el 10% y el 90% es el tiempo de subida (t ).
Transitorio a
corte
Si el circuito
externo fuerza una reducción muy brusca de la intensidad del ánodo e intenta la
conducción en sentido inverso, los portadores de las uniones no pueden
reajustarse, por tanto hay un tiempo de retraso por almacenamiento donde se
comporta como un cortocircuito conduciendo en sentido contrario al estar polarizado
positivamente, produciendo un pico de corriente I.
Variantes del SCR
Existen otros
dispositivos de cuatro capas cuyo modo de funcionamiento es similar al de un
SCR. En esta sección se realiza una breve descripción de las variantes del SCR más
importantes.
TRIAC
El tiristor tuvo
gran aceptación en la electrónica de potencia gracias a su capacidad de rectificación
controlada, pero no es apto para conmutar cargas directamente a la red eléctrica
ya que sólo habrá circulación de corriente durante un semiciclo. Es por esto que
se estudiaron otros dispositivos capaces de conmutar de forma controlada cargas
en ambos sentidos de circulación de corriente, llegándose al conocido TRIAC
(triode AC semiconductor).
Un triac, en
esencia, no es más que dos tiristores conectados en antiparalelo de forma que
ambos son activados por un mismo impulso de puerta, pero cada uno para rectificar
en un sentido. Por tanto, es capaz de bloquear tensión y conducir corriente en
ambos sentidos entre sus terminales principales (T1 y T2), controlada la
activación por un terminal de puerta. Por tanto, aunque es una estructura de
seis capas, siempre funcio na como una estructura de cuatro capas (P1N1P2N2’ o
P2N1P1N4).
Se puede observar que el disparo puede producirse tanto en
el cuadrante I (tensión de T2 positiva respecto a T1) como en el III
(viceversa).
GTO
El SCR tiene una
caída en conducción muy baja, pero necesita que el circuito de potencia anule
su corriente anódica. Esto ha reducido su empleo a circuitos de alterna (bloqueo
natural con una conmutación por ciclo). Desde los primeros años del SCR los
fabricantes han intentado conseguir que los SCR pudiesen cortarse desde la
puerta. A principios de los años 80 aparecen los primeros GTOs. El GTO o Gate
Turn-Off SCR es un tiristor que puede ser disparado con un pulso positivo a su
terminal de puerta y bloqueado si se aplica un impulso negativo a ese mismo
terminal.
En la siguiente
figura se pueden apreciar los símbolos más utilizados para este tipo de dispositivos.
ductor).
Un triac, en
esencia, no es más que dos tiristores conectados en antiparalelo de forma que
ambos son activados por un mismo impulso de puerta, pero cada uno para rectificar
en un sentido. Por tanto, es capaz de bloquear tensión y conducir corriente en
ambos sentidos entre sus terminales principales (T1 y T2), controlada la
activación por un terminal de puerta. Por tanto, aunque es una estructura de
seis capas, siempre funcio na como una estructura de cuatro capas (P1N1P2N2’ o
P2N1P1N4).
