LIBRO CLASIFICACIÓN DE LOS TIRISTORES

INSTITUTO SUPERIOR TECNOLÓGICO TUNGURAHUA

CARRERA DE ELECTRÓNICA Tarea Nº7

Tema: CLASIFICACIÓN DE LOS TIRISTORES Asignatura:

ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Estudiante:

Christopher Palacios

La clasificación de los tiristores

Introducción La electrónica de potencia concierne a los circuitos con tiristores, a su diseño y a su función en el control de potencia en un sistema. Existen gran variedad de tiristores, pero todos ellos tienen ciertas propiedades en común: son dispositivos de estado sólido que se "disparan" bajo ciertas condiciones, pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja, estado que se mantiene mientras que la corriente y la tensión sean superiores a un valor mínimo denominado nivel de mantenimiento.

Estructuralmente, todos los tiristores consisten en varias capas alternadas de silicio dopado con impurezas p y n. El disparo de un tiristor se realiza inyectando corrientes en esas uniones de forma que, mediante una reacción regenerativa, conmuta a conducción y lo mantiene en ese estado aunque la señal de disparo sea retirada, siempre que se verifiquen unos requerimientos mínimos de tensión y corriente. * Temas relacionados que te pueden interesar: - El Tiristor - Gobierno de Tiristores

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

El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o 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 VBO. 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.

Figura 3. Símbolo del SCR. 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 VD que lo alimenta excede VBO 2. Tiene un voltaje de ruptura VBO , cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente i G, presente en el SCR 3. Se desactiva cuando la corriente iD 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.

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.

Figura 4. Símbolo del GTO. 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 30 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.

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.

Figura 5. Símbolo del TRIAC.

Tiristores de conducción inversa (RTC).

En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo.

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.

Figura 6. Tiristor de conducción inversa.

Calificaciones de tiristor o Calificaciones de SCR son muy requeridos para operar en una caja fuertezona.

La operación confiable se puede hacer cuando un tiristor no viola su voltaje y la corriente nominal durante el período de trabajo. Un tiristor o SCR puede tener varias clasificaciones, como voltaje, corriente, potencia,

tiempo de encendido, tiempo de apagado, etc.

Generalmente, estas calificaciones se especifican en la hoja de datos proporcionada por el fabricante.

Clasificación de voltaje del ánodo Esta clasificación nos da una breve idea acerca de resistir el poder de un tiristor en el bloqueo hacia adelante realizado en ausencia de corriente de compuerta.

Pico trabajando hacia adelante bloqueando o hacia adelante apagado voltaje (VDWM) Especifica el voltaje directo máximo (voltaje positivo que se aplica en el ánodo y el cátodo) que el SCR puede soportar en el momento de trabajar.

Voltaje de bloqueo directo repetitivo pico (VDRM) Especifica el pico de la tensión transitoria directa.que un SCR puede bloquear repetidamente o periódicamente en modo de bloqueo hacia adelante. Esta clasificación se especifica a una temperatura de empalme máxima permitida con el circuito de la puerta abierta. Durante el proceso de conmutación, debido a la alta tasa decreciente de corriente anódica inversa, un pico de voltaje

Se produce cuál es la causa de VDRM Generacion.

Activación del tiristor:

Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas: 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 1 y 2 aumenten. Debido a la acción regenerativa (1 + 2) 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 VBO, 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.

Tipos de tiristores:

Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

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).

Voltaje del dedo de SCR (VFV) Valor mínimo de voltaje que se debe aplicar entre el ánodo y el cátodo para apagar el dispositivo mediante la activación de la puerta. En general, este valor de voltaje es poco más que la caída de voltaje en estado ON normal.

Clasificación actual de SCR Todos sabemos que un tiristor, por lo tanto, se hace un SCRde semiconductor que es muy sensible al calor. Incluso debido al corto tiempo en la corriente, la temperatura del dispositivo puede elevarse a un valor tan alto que puede cruzar su límite máximo permitido. Por lo tanto, habrá una alta posibilidad de destrucción permanente del dispositivo.

Por esta razón, calificación actual de SCR Es una parte muy esencial para proteger el SCR.

Clasificación de corriente máxima RMS (I RMS) Generaciones de calor en el dispositivo presente donde los elementos resistivos están presentes en el dispositivo. Los elementos resistivos, como las juntas metálicas, dependen totalmente de la corriente rms, ya que la pérdida de potencia es I RMS2R, que se convierte en calor, por lo tanto causa la subida de la temperatura del dispositivo. Por lo tanto, yo RMS La clasificación del tiristor debe ser un valor adecuado para que la capacidad de calor máxima de SCR no pueda exceder.

Clasificación Máxima de Corriente Promedio (I AV) Es la corriente media permitida que puede serSe aplica de manera segura, de modo que la temperatura máxima de la unión y el límite de corriente rms no se puedan superar.

Generalmente el fabricante de SCR, proporciona un diagrama característico que muestra IAV En función de la temperatura del caso Ido con el ángulo de conducción actual φ como parámetro. Esta característica se conoce como "característica de desclasificación de la corriente promedio en adelante".

Corriente de sobretensión máxima (I SM) Si un tiristor opera bajo su función repetitiva.Valores de tensión y corriente, nunca se supera su temperatura máxima permitida. Pero un SCR puede caer en una condición de operación anormal debido a una falla en el circuito. Para superar este problema, el fabricante también especifica una clasificación de corriente de sobretensión máxima permitida. Esta clasificación especifica la corriente de sobretensión máxima no repetitiva, que el dispositivo puede soportar. Esta clasificación se especifica dependiendo del número de ciclos de sobrecarga. En el momento de la fabricación, se especifican al menos tres clasificaciones de corriente de sobretensión diferentes para diferentes duraciones. Por ejemplo, yoSM = 3,000 A por 1/2 ciclo yoSM = 2,100A por 3 ciclos yoSM = 1,800A por 5 ciclos

Una trama entre ISM y también se proporcionan números de ciclo para tratar con la corriente de aumento de varios ciclos.

Voltaje de activación de la puerta (VGT) Este es el valor de voltaje de compuerta mínimo queDebe ser un circuito adquirido por la puerta. para un correcto encendido del SCR. Este valor de voltaje también se especifica a un voltaje de ruptura directa similar a I GT. Voltaje de la puerta que no dispara (VNG) Este es el valor máximo del voltaje de la fuente del circuito de la puerta por debajo del cual el dispositivo debe estar apagado. Todas las señales de ruido no deseadas deben estar bajo este voltaje para evitar el encendido no deseado del dispositivo.

Voltaje de puerta inversa pico (VGRM) Este es el valor del voltaje inverso máximo que se puede aplicar a través del cátodo y la compuerta.

Disipación de potencia de la puerta promedio (PGAR) Este es el valor de la disipación de potencia promedio que no puede ser superada por un circuito de compuerta para un pulso de corriente de compuerta mayor a 100 microsegundos.

Corriente pico de la puerta reenviada (I GRM) Esta es la clasificación de la corriente máxima de la puerta de avance que no debe superarse para una operación confiable y segura.

Tiristores Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Características de los tiristores:

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J 2 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 ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK 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 IL, 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, IL, 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 IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J 2 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 IL>IH. La corriente de mantenimiento IH 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 unioneJ 1 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 IR, fluirá a través del dispositivo.

Modelo de tiristor de dos transistores:

La acción regenerativa o de enganche debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.

Fig. 2. Modelo de tiristor de dos terminales.

La corriente del colector IC de un tiristor se relaciona, en general, con la corriente del emisor IE y la corriente de fuga de la unión colector-base ICBO, como: IC = IE + ICBO (1) La ganancia de corriente de base común se define como  =IC/IE. Para el transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del ánodo IA, y la corriente del colector IC1 se puede determinar a partir de la ecuación (1): IC1 = 1IA + ICBO1 (2) donde 1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para Q1. En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector IC2 es:

IC2 = 2IK + ICBO2 (3) donde 2 es la ganancia de corriente y ICBO2 es la corriente de fuga correspondiente a Q2. Al combinar IC1 e IC2, obtenemos: IA = IC1 + IC2 = 1IA + ICBO1 + 2IK + ICBO2 (4) Pero para una corriente de compuerta igual a IG, IK=IA+IG resolviendo la ecuación anterior en función de IA obtenemos: IA = 2IG +ICBO1+ICBO2 / 1- (1 + 2)