Tipos de circuitos de Tiristores: Aplicaciones y Ejemplos

En el post anterior de tiristores, analizamos la construcción y el funcionamiento básicos del rectificador controlado por silicio, más conocido como tiristor. Esta vez, veremos cómo podemos utilizar el tiristor y el circuito de tiristores para controlar cargas mucho más grandes, como lámparas, motores o calentadores, etc.

Dijimos anteriormente que, para que el tiristor se active ('ENCENDIDO'), necesitamos inyectar un pequeño pulso de corriente de disparo (no una corriente continua) en la terminal de compuerta (G), cuando el tiristor está en su dirección directa, es decir, cuando el Ánodo (A) es positivo con respecto al Cátodo (K), para que ocurra el enclavamiento regenerativo.

Generalmente, este pulso de disparo solo necesita durar unos pocos microsegundos, pero cuanto más largo sea el pulso aplicado en la compuerta, más rápido ocurre la ruptura interna por avalancha y más rápido es el tiempo de activación del tiristor. Sin embargo, no se debe exceder la corriente máxima de la compuerta. Una vez disparado y completamente en conducción, la caída de voltaje a través del tiristor, de Ánodo a Cátodo, es razonablemente constante, aproximadamente 1 V para todos los valores de corriente de Ánodo hasta su valor nominal.

Pero recuerda que, una vez que un tiristor comienza a conducir, continúa conduciendo incluso sin señal en la compuerta, hasta que la corriente del ánodo disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento del dispositivo ( $\displaystyle {{I}_{H}}$ ), y por debajo de este valor se apaga automáticamente. Entonces, a diferencia de los transistores bipolares y los FET, los tiristores no pueden ser utilizados para amplificación o conmutación controlada.

Los tiristores son dispositivos semiconductores diseñados específicamente para aplicaciones de conmutación de alta potencia y no tienen la capacidad de amplificación. Los tiristores solo pueden operar en modo de conmutación, actuando como un interruptor abierto o cerrado. Una vez que se disparan a través de la terminal de compuerta, un tiristor permanecerá en conducción (permitiendo el paso de corriente) siempre. Por lo tanto, en circuitos de corriente continua (DC) y en algunos circuitos de corriente alterna (AC) altamente inductivos, la corriente debe ser reducida artificialmente mediante un interruptor separado o un circuito de apagado.

Circuito de Tiristores de CC (Corriente Contínua)

Cuando se conecta a una fuente de corriente continua (CC), el tiristor se puede utilizar como un interruptor de CC para controlar corrientes y cargas de CC más grandes. Cuando se utiliza el tiristor como interruptor, se comporta como un pestillo electrónico porque, una vez activado, permanece en estado "ENCENDIDO" hasta que se restablece manualmente. Considere el circuito de tiristor de CC a continuación.

Circuito de conmutación de tiristores de CC

Este sencillo circuito de activación de tiristor de “encendido y apagado” utiliza el tiristor como un interruptor para controlar una lámpara, pero también se puede utilizar como un circuito de control de encendido y apagado para un motor, un calentador o alguna otra carga de CC similar. El tiristor está polarizado directamente y se activa para conducir al cerrar brevemente el botón pulsador de “encendido” normalmente abierto, $\displaystyle {{S}_{1}}$ , que conecta el terminal de la compuerta a la fuente de CC a través de la resistencia de la compuerta, $\displaystyle {{R}_{G}}$_, lo que permite que la corriente fluya hacia la compuerta. Si el valor de $\displaystyle {{R}_{G}}$ se establece demasiado alto con respecto al voltaje de suministro, es posible que el tiristor no se active.

Una vez que el circuito se ha encendido, se bloquea automáticamente y permanece encendido incluso cuando se suelta el botón pulsador, siempre que la corriente de carga sea mayor que la corriente de bloqueo del tiristor. Las operaciones adicionales del botón pulsador, $ \displaystyle {{S}_{1}}$_, no tendrán efecto en el estado del circuito, ya que una vez que se bloquea, la compuerta pierde todo control. El tiristor ahora está completamente encendido (conduciendo), lo que permite que la corriente del circuito de carga completa fluya a través del dispositivo en dirección hacia adelante y de regreso a la fuente de alimentación de la batería.

Una de las principales ventajas de utilizar un tiristor como interruptor en un circuito de CC es que tiene una ganancia de corriente muy alta. El tiristor es un dispositivo que funciona con corriente porque una pequeña corriente de compuerta puede controlar una corriente de ánodo mucho mayor.

La resistencia de compuerta-catodo $\displaystyle {{R}_{{GK}}}$ generalmente se incluye para reducir la sensibilidad de la compuerta y aumentar su capacidad dv/dt, evitando así una activación falsa del dispositivo.

Como el tiristor se ha bloqueado automáticamente en el estado "ENCENDIDO", el circuito solo se puede reiniciar interrumpiendo el suministro de energía y reduciendo la corriente del ánodo por debajo del valor mínimo de corriente de mantenimiento del tiristor ($\displaystyle {{I}_{H}}$)

Al abrir el botón “OFF” normalmente cerrado, $\displaystyle {{S}_{2}}$ interrumpe el circuito, reduciendo a cero la corriente del circuito que fluye a través del Tiristor , obligándolo así a apagarse hasta que se aplique nuevamente otra señal de puerta.

Sin embargo, una de las desventajas de este diseño de circuito de tiristor de corriente continua es que el interruptor mecánico normalmente cerrado 'APAGADO' $\displaystyle {{S}_{2}}$ necesita ser lo suficientemente grande para manejar la potencia del circuito que fluye a través del tiristor y la lámpara cuando los contactos están abiertos.

Si este es el caso, podríamos simplemente reemplazar el tiristor con un gran interruptor mecánico. Una forma de superar este problema y reducir la necesidad de un interruptor 'APAGADO' más grande y robusto es conectar el interruptor en paralelo con el tiristor, como se muestra:

Circuito alternativo de tiristores de CC

Aquí, el interruptor del tiristor recibe el voltaje terminal requerido y la señal de pulso de compuerta como antes, pero el interruptor normalmente cerrado más grande del circuito anterior se ha reemplazado por un interruptor normalmente abierto más pequeño en paralelo con el tiristor. La activación del interruptor S2 aplica momentáneamente un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo de los tiristores, lo que evita que el dispositivo conduzca al reducir la corriente de retención por debajo de su valor mínimo.

Resumen de Tiristores en CC (Corriente Contínua)

Tiristores en Corriente Continua (CC):

• Activación: Para encender un tiristor en un circuito de corriente continua, se aplica un pulso de corriente en la terminal de compuerta (G) cuando el ánodo (A) es positivo respecto al cátodo (K). Una vez activado, el tiristor permanece conduciendo corriente hasta que la corriente del ánodo cae por debajo de su corriente de mantenimiento (IH).
• Desactivación: En circuitos DC, es necesario utilizar un interruptor adicional o un circuito de apagado para reducir la corriente por debajo de IH, ya que el tiristor no se apaga automáticamente.
• Aplicaciones: Se utilizan en rectificadores controlados y sistemas de control de potencia, donde se requiere un manejo preciso de la energía.

Circuitos de Tiristores de CA (Corriente Alterna)

Cuando se conecta a una fuente de corriente alterna (CA), el tiristor se comporta de manera diferente al circuito conectado a CC anterior. Esto se debe a que la corriente alterna invierte la polaridad periódicamente y, por lo tanto, cualquier tiristor utilizado en un circuito de CA se polarizará automáticamente de forma inversa, lo que hará que se apague durante la mitad de cada ciclo. Considere el circuito de tiristores de CA que se muestra a continuación.

Circuito de Conmutación de CA

El circuito de disparo del tiristor anterior es similar en diseño al circuito SCR de Corriente Contínua, excepto por la omisión de un interruptor “OFF” adicional y la inclusión del diodo $\displaystyle {{D}_{1}}$ que evita que se aplique polarización inversa a la compuerta.

Durante el semiciclo positivo de la forma de onda sinusoidal, el dispositivo está polarizado en directa, pero con el interruptor $\displaystyle {{S}_{1}}$ abierto, se aplica una corriente de compuerta cero al tiristor y permanece “APAGADO”. En el semiciclo negativo, el dispositivo está polarizado en inversa y permanecerá “APAGADO” independientemente de la condición del interruptor $\displaystyle {{S}_{1}}$ .

Si el interruptor $\displaystyle {{S}_{1}}$ está ahora cerrado, al comienzo de cada semiciclo positivo el tiristor está completamente “APAGADO”, pero poco después habrá un aumento suficiente en el voltaje de disparo positivo y, por lo tanto, en la corriente presente en la compuerta para poner el tiristor en conducción completa y encender la lámpara.

El tiristor ahora está bloqueado en “ON” (encendido) durante el semiciclo positivo, sin que la compuerta tenga efecto y esté efectivamente en cortocircuito con el cátodo. Esta condición continúa hasta que el tiristor se apaga automáticamente nuevamente cuando finaliza el semiciclo positivo, cuando la forma de onda sinusoidal alcanza cero voltios a 180° y la corriente del ánodo cae por debajo del valor de corriente de mantenimiento.

Durante el siguiente semiciclo negativo, el dispositivo estará de todos modos completamente “APAGADO” hasta el siguiente semiciclo positivo, cuando el proceso se repite y el tiristor vuelve a conducir mientras el interruptor esté cerrado.

En estas condiciones, la lámpara recibirá solo la mitad de la potencia disponible de la fuente de CA, ya que el tiristor actúa como un diodo rectificador y conduce corriente solo durante los semiciclos positivos cuando está polarizado en directa. El tiristor continúa suministrando la mitad de la potencia a la lámpara hasta que se abre el interruptor.

Si fuera posible encender y apagar rápidamente el interruptor $\displaystyle {{S}_{1}}$ , de modo que el tiristor recibiera su señal de compuerta en el punto de “pico” (90°) de cada semiciclo positivo, el dispositivo solo conduciría durante la mitad del semiciclo positivo. En otras palabras, la conducción solo tendría lugar durante la mitad de la mitad de una onda sinusoidal y esta condición haría que la lámpara recibiera “un cuarto” o una cuarta parte de la potencia total disponible de la fuente de CA.

Al variar con precisión la relación temporal entre el pulso de compuerta y el semiciclo positivo, se puede lograr que el tiristor suministre cualquier porcentaje de potencia deseado a la carga, entre 0% y 50%. Obviamente, al utilizar esta configuración de circuito, no puede suministrar más del 50% de potencia a la lámpara, porque no puede conducir durante los semiciclos negativos cuando está polarizado en forma inversa. Considere el circuito a continuación.

Control de fase de media onda

El control de fase es la forma más común de control de potencia de CA mediante tiristores y se puede construir un circuito básico de control de fase de CA como se muestra arriba. Aquí, el voltaje de compuerta de los tiristores se deriva del circuito de carga RC a través del diodo de activación, $\displaystyle {{D}_{1}}$ .

Durante el semiciclo positivo, cuando el tiristor está polarizado en directa, el condensador C se carga a través de la resistencia  siguiendo la tensión de alimentación de CA. La compuerta se activa solo cuando la tensión en el punto A ha aumentado lo suficiente como para hacer que el diodo de disparo $\displaystyle {{D}_{1}}$ conduzca y el condensador se descargue en la compuerta del tiristor, encendiéndolo. La duración del tiempo en la mitad positiva del ciclo en el que comienza la conducción está controlada por la constante de tiempo RC establecida por la resistencia variable $\displaystyle {{R}_{1}}$.

Aumentar el valor de $\displaystyle {{R}_{1}}$ tiene el efecto de retrasar la tensión de activación y la corriente suministrada a la compuerta del tiristor, lo que a su vez provoca un retraso en el tiempo de conducción del dispositivo. Como resultado, la fracción del semiciclo durante el cual el dispositivo conduce se puede controlar entre 0 y 180° . Esto significa que la potencia promedio disipada por la lámpara se puede ajustar. Sin embargo, el tiristor es un dispositivo unidireccional, por lo que solo se puede suministrar un máximo del 50% de la potencia durante cada semiciclo positivo.

Existen diversas formas de lograr un control de CA de onda completa del 100 % mediante el uso de “tiristores”. Una forma es incluir un solo tiristor dentro de un circuito rectificador de puente de diodos que convierte la CA en una corriente unidireccional a través del tiristor, mientras que el método más común es utilizar dos tiristores conectados en paralelo inverso.

Un enfoque más práctico es utilizar un solo Triac , ya que este dispositivo puede activarse en ambas direcciones, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de conmutación de CA.

Resumen de Tiristores en CA (Corriente Alterna)

• Activación: En un circuito de corriente alterna, el tiristor se activa de la misma manera, mediante un pulso en la compuerta. Sin embargo, debido a la naturaleza oscilante de la corriente alterna, el tiristor se apagará automáticamente cuando la corriente cruce por cero (cambio de polaridad).
• Desactivación: Este comportamiento permite que los tiristores se utilicen eficientemente en aplicaciones de AC sin necesidad de un circuito de apagado adicional, ya que el dispositivo se desactiva naturalmente en cada ciclo de corriente alterna.
• Aplicaciones: Son comúnmente utilizados en controladores de motores, reguladores de luz, y sistemas de calefacción, donde se necesita modulación de la potencia a cargas inductivas.