¿Qué es un tiristor?

Amigos de Ingtelecto, en esta ocasión hablaremos sobre los tiristores, analizaremos la construcción y el funcionamiento del tiristor, o rectificador controlado de silicio (SCR).

En muchos aspectos, el tiristor es similar en su construcción al transistor. Es un dispositivo semiconductor de múltiples capas, de ahí la parte de "silicio" en su nombre. Requiere una señal de puerta para encenderse, lo que corresponde a la parte 'controlado' de su nombre, y una vez encendido, se comporta como un diodo rectificador, lo que representa la parte de 'rectificador' en su nombre. De hecho, el símbolo del circuito para el tiristor sugiere que este dispositivo actúa como un diodo rectificador controlado.

Sin embargo, a diferencia del diodo de unión, que es un dispositivo semiconductor de dos capas (PN), o del transistor bipolar comúnmente utilizado, que es un dispositivo de conmutación de tres capas (PNP o NPN), el tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas (PNPN) que contiene tres uniones PN en serie y está representado por el símbolo que se muestra.

Al igual que el diodo, el tiristor es un dispositivo unidireccional, es decir, solo conduce corriente en una dirección, pero a diferencia de un diodo, el tiristor puede funcionar como un interruptor de circuito abierto o como un diodo rectificador, dependiendo de cómo se active la compuerta del tiristor. En otras palabras, los tiristores solo pueden funcionar en modo de conmutación y no se pueden usar para amplificación.

El rectificador controlado por silicio (SCR ) es uno de los muchos dispositivos semiconductores de potencia, junto con los Triacs (triodo de CA), los Diacs (diodo de CA) y los UJT (transistor unijunción), que son capaces de actuar como interruptores de CA (Corriente Alterna) de estado sólido muy rápidos para controlar grandes voltajes y corrientes de CA. Por lo tanto, para el estudiante de Electrónica, estos dispositivos de estado sólido son muy útiles para controlar motores de CA, lámparas y para el control de fase.

El tiristor es un dispositivo de tres terminales denominados “ánodo”, “cátodo” y “puerta” y que consta de tres uniones PN que pueden encenderse y apagarse a una velocidad extremadamente rápida, o pueden encenderse durante períodos de tiempo variables durante semiciclos para suministrar una cantidad seleccionada de energía a una carga. El funcionamiento del tiristor se puede explicar mejor suponiendo que está formado por dos transistores conectados uno detrás del otro como un par de interruptores regenerativos complementarios, como se muestra.

Relación o Analogía entre tiristores y dos transistores

Si observamos la imagen de arriba, podemos percatarnos que el circuito equivalente de dos transistores muestra que la corriente de colector del transistor NPN $\displaystyle T{{R}_{2}}$ se alimenta directamente a la base del transitor PNP $\displaystyle T{{R}_{1}}$ , mientras que la corriente de colector $\displaystyle T{{R}_{1}}$ se alimenta a la base de $\displaystyle T{{R}_{2}}$ .Estos dos transitores interconectados dependen uno del otro para la conducción, ya que cada transitor obtiene su corriente de base-emisor de la corriente de colector-emisor del otro. Por lo tanto, hasta que a uno de los transistores se le dé una corriente de base, no puede suceder nada, incluso si hay un voltaje de ánodo a cátodo.

Cuando el terminal del ánodo del tiristor es negativo con respecto al cátodo, la unión NP central está polarizada en directa, pero las dos uniones PN externas están polarizadas en inversa y se comporta de manera muy similar a un diodo común. Por lo tanto, un tiristor bloquea el flujo de corriente inversa hasta que, en un nivel de voltaje alto, se excede el punto de voltaje de ruptura de las dos uniones externas y el tiristor conduce sin la aplicación de una señal de compuerta.

Esta es una característica negativa importante del tiristor, ya que los tiristores pueden activarse involuntariamente y entrar en conducción por una sobretensión inversa, así como por una temperatura alta o un voltaje dv/dt que aumenta rápidamente , como un pico.

Si el terminal del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las dos uniones PN externas ahora están polarizadas directamente, pero la unión NP central está polarizada inversamente. Por lo tanto, la corriente directa también se bloquea. Si se inyecta una corriente positiva en la base del transistor NPN $\displaystyle T{{R}_{2}}$ , la corriente de colector resultante fluye en la base del transistor $\displaystyle T{{R}_{1}}$. Esto, a su vez, hace que fluya una corriente de colector en el transistor PNP, $\displaystyle T{{R}_{1}}$_, lo que aumenta la corriente de base de $\displaystyle T{{R}_{2}}$ y así sucesivamente.

Muy rápidamente, los dos transistores se obligan mutuamente a conducir hasta la saturación, ya que están conectados en un bucle de retroalimentación regenerativa que no puede detenerse. Una vez que se activa la conducción, la corriente que fluye a través del dispositivo entre el ánodo y el cátodo está limitada solo por la resistencia del circuito externo, ya que la resistencia directa del dispositivo cuando conduce puede ser muy baja, inferior a 1 Ω , por lo que la caída de tensión a través de él y la pérdida de potencia también son bajas.

Luego podemos ver que un tiristor bloquea la corriente en ambas direcciones de una fuente de alimentación de CA en su estado “APAGADO” y se puede encender y hacer que actúe como un diodo rectificador normal mediante la aplicación de una corriente positiva a la base del transistor, $\displaystyle T{{R}_{2}}$_, que para un rectificador controlado de silicio se llama terminal "Gate" o “Puerta”.

Curvas características I-V

Las curvas características de operación voltaje-corriente (I-V) para el funcionamiento de un Rectificador Controlado de Silicio se presentan como en la segunda imagen, la primera es un arreglo gráfico para entender sus conexiones y el flujo de corriente convencional.

Ahora si, podemos apreciar los gráficos.

Una vez que el tiristor ha sido activado ("ENCENDIDO") y está conduciendo corriente en la dirección directa (ánodo positivo), la señal de la compuerta pierde todo control debido a la acción de enclavamiento regenerativo de los dos transistores internos. La aplicación de señales o pulsos de compuerta después de que se ha iniciado la regeneración no tendrá ningún efecto, ya que el tiristor ya está conduciendo y completamente en estado "ENCENDIDO".

A diferencia del transistor, el SCR no puede polarizarse para permanecer dentro de una región activa a lo largo de una línea de carga entre sus estados de bloqueo y saturación. La magnitud y duración del pulso de activación de la compuerta tiene poco efecto en la operación del dispositivo, ya que la conducción es controlada internamente. Por lo tanto, aplicar un pulso momentáneo a la compuerta es suficiente para hacer que el dispositivo conduzca y permanecerá permanentemente "ENCENDIDO", incluso si la señal de la compuerta es completamente eliminada.

Por lo tanto, el tiristor también puede considerarse como un enclavamiento biestable que tiene dos estados estables: "APAGADO" o "ENCENDIDO". Esto se debe a que, sin una señal de compuerta aplicada, un rectificador controlado de silicio bloquea la corriente en ambas direcciones de una forma de onda de CA, y una vez que se activa para conducir, la acción de enclavamiento regenerativo implica que no se puede apagar nuevamente solo usando su compuerta.

Entonces, ¿cómo apagamos el tiristor? Una vez que el tiristor se ha bloqueado automáticamente en su estado "ENCENDIDO" y pasa una corriente, solo se puede apagar nuevamente quitando el voltaje de suministro y, por lo tanto, la corriente de ánodo ($\displaystyle {{I}_{A}}$) por completo, o reduciendo su corriente de ánodo a cátodo por algún medio externo (la apertura de un interruptor, por ejemplo) por debajo de un valor comúnmente llamado "corriente mínima de mantenimiento", $\displaystyle {{I}_{H}}$ .

Por lo tanto, la corriente del ánodo debe reducirse por debajo de este nivel mínimo de retención durante el tiempo suficiente para que las uniones pn bloqueadas internamente de los tiristores recuperen su estado de bloqueo antes de que se vuelva a aplicar un voltaje directo al dispositivo sin que se vuelva a conducir automáticamente. Obviamente, para que un tiristor conduzca en primer lugar, su corriente de ánodo, que también es su corriente de carga $\displaystyle {{I}_{L}}$ debe ser mayor que su valor de corriente de retención. Es decir $\displaystyle {{I}_{L}}>{{I}_{H}}$

Dado que el tiristor tiene la capacidad de "APAGARSE" cada vez que la corriente del ánodo se reduce por debajo de este valor de mantenimiento mínimo, se deduce entonces que cuando se usa en una fuente de alimentación de CA sinusoidal, el SCR se "APAGARÁ" automáticamente en algún valor cercano al punto de cruce de cada medio ciclo y, como ahora sabemos, permanecerá "APAGADO" hasta la aplicación del siguiente pulso de activación de la compuerta.

Dado que un voltaje sinusoidal de CA invierte continuamente su polaridad de positivo a negativo en cada semiciclo, esto permite que el tiristor se apague ("OFF") en el punto cero a los 180º de la onda positiva. Este efecto se conoce como "conmutación natural" y es una característica muy importante del rectificador controlado de silicio.

En los tiristores utilizados en circuitos alimentados por fuentes de CC, esta condición de conmutación natural no puede ocurrir, ya que el voltaje de la fuente de CC es continuo, por lo que debe proporcionarse algún otro método para apagar ("OFF") el tiristor en el momento adecuado, ya que una vez activado permanecerá conduciendo.

Sin embargo, en los circuitos sinusoidales de CA, la conmutación natural ocurre en cada semiciclo. Durante el semiciclo positivo de una onda sinusoidal de CA, el tiristor está polarizado directamente (ánodo positivo) y puede ser activado ("ON") mediante una señal o pulso en la compuerta. Durante el semiciclo negativo, el ánodo se vuelve negativo mientras que el cátodo es positivo. El tiristor está polarizado en inversa por este voltaje y no puede conducir, incluso si hay una señal en la compuerta.

Por lo tanto, al aplicar una señal de compuerta en el momento adecuado durante la mitad positiva de una onda de CA, el tiristor puede ser activado para conducir hasta el final del semiciclo positivo. Así, el control de fase (como se le llama) puede usarse para activar el tiristor en cualquier punto a lo largo de la mitad positiva de la onda de CA, y uno de los muchos usos de un rectificador controlado de silicio es en el control de potencia de sistemas de CA, como se muestra

Control de Fase

Al comienzo de cada semiciclo positivo, el SCR está “APAGADO”. Al aplicar el pulso de compuerta, el SCR se activa y permanece totalmente bloqueado en “ENCENDIDO” durante todo el ciclo positivo. Si el tiristor se activa al comienzo del semiciclo ( θ = 0^o ), la carga (una lámpara) estará “ENCENDIDA” durante todo el ciclo positivo de la forma de onda de CA (CA rectificada de media onda) a un alto voltaje promedio de $\displaystyle 0.318\text{ }\times \text{ }{{\text{V}}_{p}}$ 

A medida que la aplicación del pulso de disparo de la compuerta aumenta a lo largo del semiciclo ( θ = 0 ^o  a 90 ^o ), la lámpara se ilumina durante menos tiempo y el voltaje promedio entregado a la lámpara también será proporcionalmente menor, lo que reduce su intensidad luminosa.

Luego podemos utilizar un rectificador controlado de silicio como un regulador de luz de CA, así como en una variedad de otras aplicaciones de energía de CA, tales como: control de velocidad de motores de CA, sistemas de control de temperatura y circuitos reguladores de potencia, etc.

Hasta ahora hemos visto que un tiristor es esencialmente un dispositivo de media onda que conduce solo en la mitad positiva del ciclo cuando el ánodo es positivo y bloquea el flujo de corriente como un diodo cuando el ánodo es negativo, independientemente de la señal de la puerta.

Pero hay más dispositivos semiconductores disponibles que caen bajo el nombre de "Tiristor" que puede conducir en ambas direcciones, dispositivos de onda completa, o pueden ser apagados por la señal de la puerta.

Estos dispositivos incluyen “tiristores de apagado de compuerta” (GTO), “tiristores de inducción estática” (SITH), “tiristores controlados por MOS” (MCT), “interruptor controlado por silicio” (SCS), “tiristores de triodo” (TRIAC) y “tiristores activados por luz” (LASCR), por nombrar algunos. Todos estos dispositivos están disponibles en una variedad de clasificaciones de voltaje y corriente, lo que los hace atractivos para su uso en aplicaciones a niveles de potencia muy altos.

Resumen de Tiristores

Los rectificadores controlados de silicio, conocidos comúnmente como tiristores, son dispositivos semiconductores PNPN de tres uniones que pueden considerarse como dos transistores interconectados que pueden utilizarse para conmutar cargas eléctricas pesadas. Pueden permanecer en “encendido” mediante un solo pulso de corriente positiva aplicado a su terminal de compuerta y permanecerán en “encendido” indefinidamente hasta que la corriente de ánodo a cátodo caiga por debajo de su nivel de enclavamiento mínimo.

Características estáticas de un tiristor

• Los tiristores son dispositivos semiconductores que solo pueden funcionar en modo de conmutación.
• Los tiristores son dispositivos operados por corriente; una pequeña corriente de compuerta controla una corriente de ánodo más grande.
• Conduce corriente solo cuando está polarizado directamente y se aplica corriente de activación a la puerta.
• El tiristor actúa como un diodo rectificador una vez que se activa.
• La corriente del ánodo debe ser mayor que la corriente de mantenimiento para mantener la conducción.
• Bloquea el flujo de corriente cuando está polarizado en sentido inverso, sin importar si se aplica corriente de compuerta.
• Una vez activado, se bloqueará en “ENCENDIDO” conduciendo incluso cuando ya no se aplique una corriente de compuerta, siempre que la corriente del ánodo sea superior a la corriente de bloqueo.

Los tiristores son interruptores de alta velocidad que se pueden utilizar para reemplazar relés electromecánicos en muchos circuitos, ya que no tienen partes móviles, no forman arcos eléctricos ni sufren corrosión o suciedad. Pero además de simplemente encender y apagar grandes corrientes, los tiristores se pueden usar para controlar el valor medio de una corriente de carga de CA sin disipar grandes cantidades de energía. Un buen ejemplo de control de potencia con tiristores es el control de la iluminación eléctrica, los calentadores y la velocidad del motor.