• DEFINICIÓN :

es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.​ Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica.

Para los SCR el dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está a la unión J2 (unión NP).

Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);​ Aunque en realidad la forma correcta es clasificar al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.

Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. «Bill» Gutzwiller, de General Electric.

• FORMAS DE ACTIVAR UN TIRISTOR :

Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

Corriente de Puerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de puerta al aplicar un voltaje positivo entre puerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de puerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.

Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.

Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.

Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

• TIPOS :

diodo Shockley

 es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: uno de bloqueo o de alta impedancia y de conducción o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky.

Está formado por cuatro capas de semiconductor de tipo N y P, dispuestas alternadamente. Es un tipo de tiristor.

La característica Tensión-Corriente (V-I) se muestra en la figura. La región I es la región de alta impedancia y la III, la región de baja impedancia. Para pasar del estado apagado al de conducción, se aumenta la tensión en el diodo hasta alcanzar la tensión de conmutación, denominada V_s. La impedancia del diodo desciende bruscamente, haciendo que la corriente que lo atraviesa se incrementa y disminuye la tensión, hasta alcanzar un nuevo equilibrio en la región III (Punto B). Para volver al estado apagado, se disminuye la corriente hasta la corriente de mantenimiento, denominada I_h. En ese instante el diodo aumenta su impedancia, reduciendo, todavía más la corriente, mientras aumenta la tensión en sus terminales, cruzando la región II, hasta que alcanza el nuevo equilibrio en la región

La tensión inversa de avalancha es denominada V_rb.

Este dispositivo fue desarrollado por el físico estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989), tras abandonar los Laboratorios Bell y fundar Shockley Semiconductor. Fueron fabricados por Clevite-Shockley. Shockley fue el descubridor del transistor por el que obtuvo el Premio Nobel de Física en 1956.

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SCR

El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Tiristor.

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.

El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero)

Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aun sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.

DIAC

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor doble de dos conexiones. Es un diodo bidireccional auto disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo alternativa, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor triple de voltios característico para ese dispositivo. El comportamiento es variable para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo doble variable de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón.

Los DIAC son una denominación de tiristor, y se usan normalmente para autocompletar el ritmo variado del disparo de un triac, otra clase de tiristor.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales al menos, ánodo 1 y ánodo 2. Actúa como una llave semicircular interruptora bidireccional la cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales variables alcanza el voltaje de quema o accionado, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la potencia del proceso de fabricación.

DIAC de tres capas

Existen dos tipos de DIAC:

• DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades.
• DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

TRIAC

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta (gate). El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo de gate/puerta.

GTO

es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.

Interruptor unilateral de silicio ( SUS):

El Interruptor unilateral de silicio o mejor conocido por siglas en inglés como SUS (Silicon Unilateral Switch), es un dispositivo de tres terminales (ánodo, cátodo y compuerta) el cual conduce en una sola dirección de ánodo a cátodo cuando el voltaje en el primero es mayor que en el segundo. Presenta características eléctricas muy similares a la de un diodo de cuatro capas; sin embargo, la presencia de la terminal de compuerta le permite controlar su voltaje de disparo. Por su carácter unidireccional es utilizado para el control de SCR´s y para el control de TRIACS.

Este dispositivo presenta cuatro capas de materiales semiconductores; en el ánodo se tiene la terminal de compuerta y un diodo Zener de bajo voltaje entre los terminales de compuerta y cátodo. Por esta razón, muchas veces es representado como un tiristor de puerta de ánodo al que se asocia el Zener.

• FUNCIONAMIENTO : Este dispositivo comienza a conducir cuando el voltaje entre Ánodo y Cátodo alcanza un valor Vs el cual típicamente es de 6 a 10V. Después de esto el voltaje cae dependiendo de la corriente de conducción. Hay que destacar que este dispositivo seguirá conduciendo mientras se mantenga un voltaje por encima de 0.7 y la corriente de conducción no caiga por debajo de la corriente de mantenimiento IH la cual típicamente es de 1.5mA. En el caso que se dé una polarización inversa este dispositivo no conduce, sin embargo tiene un límite de voltaje inverso llamado VR el cual puede estar por el orden de los 30V. Si se supera este voltaje entonces se destruye el dispositivo.

• Disparador de Tiristores : Por medio de una configuración RC, se puede utilizar este dispositivo para disparar tiristores como el SCR y también TRIAC. Si cargamos un condensador por medio de una resistencia variable de tal forma que el condensador alcance el voltaje de disparo del SUS en un tiempo RC, cuando este voltaje es alcanzado el condensador se descargará por medio del SUS. De esta forma se producirá un pulso en de voltaje en una resistencia, la cual estará conectada a la compuerta de Tiristor. Este pulso será de muy corta duración ya que solo se mantiene mientras el condensador entrega una corriente mayor a la de mantenimiento y, como sabemos, en estos dispositivos esta corriente es bastante elevada. La resistencia variable nos permite variar el tiempo de carga del condensador y con ello el tiempo de disparo. Para utilizar esta configuración es fundamental el parámetro Vo, que es el voltaje pico producido por SUS en la resistencia, este factor es crucial ya que si no se tiene la suficiente potencia no se podrá activar el tiristor.

Disparador de TRIAC : Un circuito para control de TRIAC por medio de SUS (Ver Figura) funciona de la siguiente forma. Una fuente AC conectada a un puente rectificador, entrega un voltaje rectificado a un condensador C, Este voltaje tenderá a seguir el voltaje del puente con un atraso de posición, determinado por una resistencia de carga R2 en serie con el condensador. En algún momento del semi-ciclo el voltaje del condensador alcanzará el voltaje de disparo del SUS, al alcanzar este voltaje el SUS se dispara y permite que el condensador se descargue a través del devanado primario de un transformador. Esta descarga del condensador C1 produce un impulso de corriente en el devanado primario del transformador hasta que el condensador se descargue al punto de no poder entregar una corriente igual al de mantenimiento SUS. En el secundario se produce una corriente que va directo a la compuerta del TRIAC, la cual lo activa. Cabe destacar que la corriente va saliendo de la compuerta; esto se logra invirtiendo el secundario, esto permite que el TRIAC se dispare en el segundo y tercer cuadrante, es decir para una corriente negativa y polarización directa e inversa de terminales. Si no se colocara el SUS, los ángulos de disparos serían diferentes entre los semiciclos positivos y negativos de la carga, ya que recordemos que el TRIAC se enciende dependiendo de la polarización de sus terminales y del sentido de la corriente en su base. Sin embargo, como el SUS genera un pulso que evita que el TRIAC detecte una curva suave de elevación de corriente y con ello que se dispare en ángulos .

• Disparo de SCR : En este circuito de la figura “Control de SCR” se vuelve a observar la Configuración RC para controlar el tiempo de disparo del SUS, este al disparase activa el SCR, sin embargo a diferencia del TRIAC este se desactiva para el semiciclo negativo, ya que por la presencia de los diodos solo se disparara el SUS y con ello el SCR para el semiciclo positivo .

• Interruptor bilateral de silicio (SBS):
• está compuesto por dos tiristores unidireccionales o SUS conectados en antiparalelo. Al igual que los tiristores PUT y SUS, el SBS es utilizado en circuitos osciladores de relajación para el control de disparo de dispositivos que entregan potencia eléctrica a una carga, como los SCR y los TRIAC; la diferencia consiste en que pueden dispararse tanto en el semiciclo positivo como en el negativo de una fuente de voltaje de corriente alterna, debido a que pueden polarizarse directa e inversamente.

Curva Característica de Voltaje Corriente :

Un SBS puede dispararse con la compuerta conectada o desconectada; esta terminal solamente proporciona mayor flexibilidad en el disparo y por tanto altera sus características de voltaje-corriente. Si se comparara esta curva característica con la de un DIAC, se podría observar que son muy similares; sin embargo, la curva del SBS tiene una región de resistencia negativa más pronunciada, lo que significa que su caída de voltaje es mucho más drástica después de llegar a su estado de conducción. Usualmente, el voltaje de ruptura de un SBS se encuentra entre los 7 y 9 voltios, cuyo voltaje es mucho menor que el de un DIAC.

Uso de la compuerta del SBS para modificar la curva característica de un SBS

La compuerta de un SBS es usada para alterar el comportamiento mostrado en la curva característica Voltaje-Corriente; por ejemplo, si se desea tener ángulos de disparo diferentes en los semiciclos positivos y negativos, se puede conectar un diodo Zener entre la compuerta G y la terminal T1, con la finalidad de que el voltaje de ruptura directo llegue hasta el valor de voltaje del diodo Zener, mientras que el voltaje de ruptura inverso no se modifica. Con esto, se logra modificar el voltaje de ruptura original a uno determinado por el «usuario» para una aplicación cualquiera, aunque no es común tener diferentes ángulos de ruptura.

VENTAJAS :

Además de su caída de voltaje más drástica debido a su región de resistencia negativa, lo cual permite una conmutación más rápida, el SBS es mucho más estable térmicamente y más simétrico que su familiar cercano, el DIAC.

• Estabilidad térmica: Esto significa que ante incrementos de temperatura, el SBS mantiene un voltaje muy estable; de acuerdo con la hoja de especificaciones de la compañía POWEREX,el modelo BS08D-T112 cuenta con un coeficiente de temperatura de 0.01%/°C. En otras palabras, por cada grado centígrado que varíe la temperatura del dispositivo, su voltaje de ruptura cambiará en un 0.01%, convirtiéndolo en un dispositivo muy estable térmicamente hablando.
• Simetría: Cuando se menciona que el SBS es simétrico, es porque los voltajes de ruptura en los semiciclos positivos y negativos son iguales o casi iguales. Esto se puede verificar en la señal de salida de un SBS: sus ángulos de disparo en los dos semiciclos son prácticamente iguales.

Circuitos de Disparo

Los siguientes circuitos son utilizados para el control del disparo de un SBS. En el primero, con la selección adecuada de dos resistencias se puede regular la corriente que circula por la compuerta del SBS y por lo tanto permite ajustar su ángulo de disparo y la potencia entregada a una carga cualquiera. Nótese que los ángulos de disparo en los dos semiciclos son iguales. En el segundo y tercer circuito se controla indirectamente la potencia entregada a la carga, al controlar directamente el disparo de un SCR y TRIAC, respectivamente. Dependiendo de los valores de resistencias y capacitancias seleccionados, así mismo será el tiempo de carga y descarga del condensador (constante RC); al cargarse el condensador hasta un voltaje determinado, el SBS se disparará y le entregará pulsos de voltaje al SCR o TRIAC para que se disparen y le entreguen la potencia a la carga. El segundo circuito es comúnmente utilizado para el control de motores DC, mientras que el tercero es frecuentemente usado para control de iluminación (luces) y calentadores eléctricos.