Operación Básica del Rectificador
Controlado de Silicio
Como
lo indica la tecnología, el SCR es un rectificador constituido de silicio que
cuenta con una tercera terminal para efectos de control. Se eligió el silicio
debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica
del SCR es distinta de la operación del diodo semiconductor fundamental de dos
capas, en el hecho de que una tercera terminal, denominada compuerta, determina
el momento en el que el rectificador cambia del estado de circuito abierto al
circuito cerrado. No es suficiente con simplemente polarizar de forma directa
la región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la
resistencia dinámica del SCR es por lo general de 0.01 a 0.1 ohm. La
resistencia inversa es típicamente de 100 kohm o más. En la figura 20.1 se
muestra el símbolo grafico del SCR así como las conexiones correspondientes de
la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la fig. 20.1ª,
si se busca establecer una conducta directa, el ánodo deberá ser positivo con
respecto al cátodo. Sin embargo, esta no es una condición suficiente para
encender una corriente de compuerta de encendido, representada simbólicamente
por IGT.
Se puede realizar un análisis mejor de la
operación básica de un SCR si se divide la estructura pnpn de cuatro capas de
la fig. 20.1b en dos estructuras de transistor de tres capas, como se muestra
en la fig. 20.2ª para considerar después el circuito resultante de la fig.
20.2b.
Obsérvese que uno de los transistores de
la fig. 20.2 es un dispositivo npn mientras que el otro es un transistor pnp.
Para propósitos del análisis, se aplicara la seña mostrada en la fig. 20.3ª a
la compuerta del circuito de la fig. 20.2b. durante el intervalo 0 -àt1, Vcompuesta= 0 V, y el
circuito de la fig. 20.2b aparecerá como el mostrado en la fig. 20.3b (V= 0
V es equivalente a tener la terminal de
la compuerta conectada a tierra como muestra la fig.). Cuando VBE2= Vcompuerta=
0 V, la corriente de la base Ib2= 0 e Ic2 será aprox. Igual 1co. La corriente
de base de Q1, IB1= IC2= ICO, será muy pequeña para encender a Q1. Por lo
tanto, ambos transistores se encontraran en el estado “apagado”, lo que dra por
resultado una alta impedancia en el colector y el emisor de c/transistor y la
representación de circuito abierto para el rectificador controlado según se
indica en la fig. 20.3c.
Cuando t= t1, se presentara un pulso de Vg
Volts en la compuerta del SCR. En la fig. 20.4ª se muestran las condiciones de
circuito establecidas con esta entrada. El potencial Vg se seleccionó lo
suficientemente grande para poder encender a Q2 (VE2= Vg). La corriente del
colector de Q2 entonces se elevara hasta un valor suficientemente grande para
entender a Q1 (IB1=IC2). Cuando Q1 se encienda, Ic1 se incrementara, lo que
ocasionara un incremento correspondiente en IB2. El incremento de la corriente
de la base de Q2 provocara un mayor incremento en Ic2. El resultado neto será
un incremento regenerativo en la corriente de cada transistor. La resistencia
resultante del ánodo al cátodo (Rscr=V/IA) será entonces pequeña dado que IA es
grande, lo que da por resultado la representación del circuito cerrado para el
SCR como la indicada en la fig. 20.4b.
La acción regenerativa descrita arriba,
ocasiona que los SCRs tengan tiempos típicos de encendido de 0.1 a 1us. Sin
embargo, dispositivos de alta potencia en el rango de 1000 a 40000 A, pueden
tener tiempos de encendido de 10 a 25 us.
Además del disparo en la compuerta, los
SCRs pueden también encenderse al elevar de manera importe la temperatura del
dispositivo, o al elevar el voltaje del ánodo al cátodo hasta el valor de
transición conductiva que se muestra en las características de la figura 20.7.
La siguiente pregunta es: ¿Qué tan seguro
es el tiempo de apagado y como se logra este apagado? Un SCR no puede apagarse
simplemente al eliminar la señal en la compuerta, y solo algunos cuantos dispositivos
especiales pueden apagarse al aplicar un pulso negativo a la terminal de la
compuerta como se muestra en la imagen 20.3ª en t = t3.
Los dos métodos generales para apagar un
SCR se catalogan como la interrupción de la corriente del ánodo y la técnica de
conmutación forzada.
En la figura 20.5 se muestra las dos
posibilidades para la interrupción de corriente. En la figura 20.5ª, IA es cero
cuando el interruptor se abre (conmutación en serie), mientras que en la figura
20.5b se establece la misma condición cuando el interruptor se cierra
(conmutación en paralelo).
La conmutación forzada se logra cuando se
“obliga” a la corriente pasar a través del SCR en la dirección opuesta a la
conducción directa. Existe una amplia variedad de circuitos que realizan esta
función, algunos de los cuales pueden localizarse en los manuales de los
principales fabricantes de esta área. En la fig 20.6 se muestra uno de los
tipos más básicos. Como se indica en la fig. El circuito de apagado consiste de
un transistor npn, una batería de dc VB y un generador de pulsos. Durante la
conducción del SCR, el transistor se encuentra en el estado “apagado”, es
decir, IB=0 y la impedancia del colector al emisor será muy alta (para todo
propósito practico se trata de un circuito
abierto). Esta alta impedancia aislara el circuito de apagado, se aplica un
pulso positivo a la base del transistor, para entenderlo, lo que resulta en una
muy baja impedancia del colector al emisor (representación de circuito
cerrado). Entonces el potencial de la batería se presenta directamente a través
del SCR como se muestra en la fig. 20.6b, con lo que obliga a que la corriente
pase a través de el con dirección inversa para lograr apagarlo. Los tiempos de
apagado de los SCRs son típicamente de 5 a 30 u.
Características y Valores Nominales del
SCR
En la
fig. 20.7 se proporcionan las características de un SCR para distintos valores
de corriente de la compuerta. Las corrientes y los valores más utilizados se
indican sobre las características. A continuación se presenta una breve
descripción de cada uno.
- el
voltaje de transición conductiva V(BR)F* es el voltaje por encima del cual el
SCR ingresa a la región de conducción. El asterisco (*) representa una letra
que se sustituirá dependiendo de la condición de la terminal de compuerta
según:
O=
Circuito abierto de Ga K
S=
Circuito cerrado de G a K
R=
resistencia de G a K
V=
polarización fija (voltaje) de G a K
2.- La
corriente de sostenimiento (IH) es aquel
valor de corriente por debajo del cual el SCR conmuta del estado de conducción
a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas.
3.-
Las regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a
la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean
el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.
4.- El
voltaje de ruptura inverso es equivalente a la región Zener o de avalancha del
diodo semiconductor fundamental de dos capas.
Deberían parecer inmediatamente obvio que
las características del SCR de la fig. 20.7 son muy similares a las
características del diodo semiconductor básico de dos capas, excepto por el
“codo” horizontal antes de ingresar a la región de conducción. Esta región de proyección horizontal la que otorga a la
compuerta el control sobre la respuesta del SCR. Para las características que
tienen la línea solida azul en la fig. 20.7 (IG=0), VF debe alcanzar un voltaje
mayor al de transición conductiva requerido (V(BR)F*) antes de que se produzca
el efecto de “colapso” y el SCR pueda ingresar a la región de conducción
correspondiente al estado encendido. Si la corriente de compuerta se incrementa
hasta IG, como se muestra en la misma fig, mediante la aplicación de un voltaje
de polarización a la terminal de compuerta, el valor de VF requerido para la
conducción (VF1) sera considerablemente
menor.
Al observar las características en una
forma completamente distinta, para un voltaje particular VF* digamos VF2, si a
corriente de compuerta se incrementa de IG= 0 a IG, o mas, el SCR se disparara.
En la fig, 20.8 se proporcionan las características de la
compuerta. Las características de la fig 20.8b son una versión expandida de la
región sombreada de la fig.20.8. en la fig. 20.8ª, se indican los tres valores
de interés de la compuerta, PGFM, IGFM Y VGFM. Cada uno de estos se incluye
sobre las características de la misma forma utilizada para el transistor.
Exceptuando las porciones de la región sombreada, cualquier combinación del
voltaje y corriente de compuerta que caiga dentro de esta región disparar a
cualquier SCR de la serie de componentes para los cuales se proporcionan estas
características. La temperatura determinara las secciones de la región
sombreada que deberán evitarse. A -65ºC la corriente mínima que accionara la
serie de SCR es 100 mA, mientras que a +150ºC solo requerirán 20 mA. El efecto
de la temperatura sobre el voltaje minimo de compuerta, por lo general, no se
indica sobre las curvas de este tipo dado que es posible obtener generalmente
de forma sencilla, potenciales de compuerta de 3 V para todas las unidades para
el rango de temperatura de interés.
Otros parámetros normalmente incluidos en
la hoja de especificaciones de un SCR son el tiempo de encendido (t encendido),
el tiempo de apagado (t apagado), la temperatura de la unión (Tj) y la
temperatura del encapsulado (Tc), todos los cuales deberán ser en buena medida
encendidos por sí mismos.
Construcción e Identificación de
Terminales del SCR
En la
fig. 20.9ª se muestra la construcción básica de la configuración de cuatro
capas de un SCR. En la fig. 20.9b se muestra la construcción completa de un SCR
libre de fatiga térmica y de alta corriente. Observe la posición de las
terminales de compuerta, cátodo y ánodo. El encapsulado actúa como un disipador
de calor que transfiere el calor generado al chasis sobre el que se encuentra
montado el SCR. La construcción del encapsulado y la identificación de
terminales de los SCRs varían con la aplicación. En la fig. 20.10 se presentan
otras técnicas de construcción de encapsulado y la identificación de las
terminales de cada uno.
Aplicaciones del SCR
Algunas
de las posibles aplicaciones del SCR se enumeraron en la introducción al SCR
(sección 20.2). En esta sección consideremos cinco: un interruptor estático, un
sistema de control de fase, un cargador de batería, un controlador de
temperatura y un sistema de iluminación de emergencia de una sola fuente.
Interruptor Estático en Serie
En la
fig. 20.11ª se muestra un interruptor estático en serie de media onda. Si el
interruptor se cierra como se muestra en la fig. 20.11b, una corriente de
compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada y encenderá
al SCR. El resistor R1 limita la magnitud
SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO)
El
rectificador controlado de silicio (SCR, silicon-controlled rectifier) es un
dispositivo semiconductor de cuatro capas cuya construcción básica y símbolo
aparecen en la figura 6.60. Aun cuando dispone de cuatro capas, el SCR tiene
solo tres terminales externas, aunque otros dispositivos semiconductores de
cuatro capas en el interruptor controlado por silicio (SCS, silicon-controlled
switch) y el con apagado en compuerta (GTO, gate turn-off switch) poseen cuatro
conexiones. Las prioridades no permiten una explicación detallada de los
últimos dos dispositivos, sin embargo existen varias referencias sobre cada
uno. Como su nombre lo implica, el SCR es un rectificador controlado de silicio
cuyo estado (circuito abierto o circuito cerrado equivalente) es controlado por
una tercera terminal llamada compuerta.
Es decir, no basta con someter al diodo a polarización directa mediante un
voltaje mayor que Vf (=0.7 v) como en el caso del semiconductor típico. La
corriente de compuerta, como se indica en as características mostradas en las
figuras 6.61, determina el voltaje de disparo necesario para poner el
dispositivo en estado de conducción. Para IG=0, Vf debe incrementarse a por lo
menos V (BR) F* (voltaje directo de ruptura).
Antes de que establezca el estado de
circuito cerrado entre al ánodo y el cátodo. Con valores crecientes de IG, el
voltaje requerido para disparar el dispositivo disminuye hasta que el diodo IG2
aparentemente tiene las características del diodo de unión de dos terminales.
Se puede ver el comportamiento del SCR desde otro punto de vista si se considera
una polarización fija de, por ejemplo VF1 (véase la figura 6.61) a través del
dispositivo. En estado de conducción aun cuando VF1 es mayor que el voltaje
requerido para un diodo semiconductor típico, la corriente debe incrementarse a
IG antes de que se establezca el estado de circuito cerrado. La corriente de
retención (IH) es el valor de la corriente debajo del cual el SCR cambia de la
región de conducción a la región de bloqueo. Las características de este
dispositivo se utilizan mucho en sistemas de control donde una función
particular no debe realizarse hasta que haya ocurrido una operación conectada a
la compuerta. Algunas áreas comunes de aplicación incluyen controles de
relevador, fuentes de alimentación reguladas, controles de motores, cargadores
de baterías y controles de los calentadores.
En la actualidad existe una amplia
variedad de SCR comercialmente disponibles, desde miliwatts hasta megawatts con
corrientes hasta de 1000 A. en la figura 6.62 aparece un juego de
características de compuerta importantes de un SCR. Para una corriente de
compuerta particular, se indica el intervalo de potenciales de disparo
preferido. Por ejemplo, una corriente de compuerta de 1.2 A o mayor requiere un
potencial de disparo de 4.2---10 v. como se indica, la corriente de compuerta
máxima es de 20 A, el voltaje de
compuerta máximo es de 10 v y la disipación de potencia máxima (PG= IGVG) es de
12 w. en la figura 6.63 aparece la construcción interna del dispositivo.
Obsérvese la muy robusta apariencia del dispositivo para manejar las altas
corrientes de este SCR particular. En la figura 6.64 aparecen otros tipos con
sus terminales identificadas.
El interruptor
controlado de silicio (SCS, silicon-Controlled Switch), de la misma forma que
el rectificador controlado de silicio, es un dispositivo pnpn de cuatro capas:
todas estas capas semiconductoras del SCS se encuentran disponibles gracias a
la adición de una compuerta de ánodo, como se muestra en la figura 20.16 a. En
la misma figura se muestra el símbolo
gráfico y el circuito equivalente del transistor. Las características
del dispositivo son básicamente las mismas que las del SCR. El efecto de una corriente
de compuerta de ánodo es muy similar al demostrado para la corriente de
compuerta en la figura 20.7. Mientras mayor sea la corriente de compuerta del
ánodo, menor será el voltaje requerido de ánodo a cátodo para encender el
dispositivo. La conexión de compuerta de ánodo puede utilizarse para encender o
apagar el dispositivo. Para encender al dispositivo, deberá aplicarse un pulso
negativo a la terminal de compuerta del ánodo, mientras que se requerirá de un
impulso positivo para apagar el dispositivo. La necesidad del tipo de pulso
indicado antes puede demostrarse mediante el empleo del circuito de la figura
20.16c. Un impulso negativo en la compuerta del ánodo polariza de forma directa
la unión base-emisor de Q1 encendiéndolo. La fuerte corriente de colector
resultante encenderá a Q2, lo que ocasionara una acción regenerativa y el
estado de encendido para el dispositivo SCS.
TRIAC
El
TRIAC es fundamentalmente un DIAC con
una terminal de compuerta para controlar las condiciones de encendido del dispositivo
bilateral en cualquier dirección. En otras palabras, para cualquier dirección
la corriente de compuerta puede controlar la acción del dispositivo en una
forma muy similar a la demostrada para el SCR. Sin embargo, las características
del TRIAC en el primer y tercer cuadrante son un tanto distintas de las del
DIAC, como se muestra en la figura 20.33 c. observe que la corriente de
sostenimiento en cada dirección no está presente en las características del
DIAC.
En la figura 20.33 se presenta el símbolo
grafico del dispositivo así como la distribución de las capas de semiconductor,
junto con fotografías del mismo. Para cada dirección de conducción posible,
existe una combinación posible, existe una combinación de capas de
semiconductor cuyo estado será controlado por la señal aplicada a la terminal
de compuerta.
El DIAC es un dispositivo semiconductor de
cinco capas y dos terminales construido como se muestra en la figura 6.65.
Nótese que las características en el primer y tercer cuadrante son algo
parecidas a las que se obtuvieron del SCR en el primer cuadrante. Con cualquier
polaridad de voltaje a través del dispositivo mostrado en la figura 6.66 existe
un potencial VBR arriba del cual el voltaje disminuye al incrementarse la
corriente hasta que se está cerca de la región equivalente de circuito.
En la figura 6.67 aparecen dos símbolos
ampliamente aceptados para el dispositivo. El TRIAC tiene características muy
similares a alas del DIAC, y tiene, además, una terminal de compuesta capaz de
controlar el estado del dispositivo en cualquier dirección. Nótese en la figura
6.68 la presencia de una corriente de retención IH que no está presente en el
DIAC. En la figura 6.69 aparecen el símbolo y la construcción del dispositivo. En
la figura 6.70 se muestra el dispositivo real.
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