Primer Departamental: Tiristores

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Ticomán

Ingeniería en Aeronáutica

"Tiristores"

GRUPO: 5AM2

Alumnos:

ORTEGA DEL ÁNGEL RICARDO DAVID

Materia: Dispositivos Digitales y Analógicos

Primer Departamental

Fecha de entrega: 6 de Septiembre de 2014

Tiristores

Un tiristor es un componente electrónico semiconductor de estructura PNPN o NPN cuyo funcionamiento se basa en una realimentación interna que produce conmutación.

Es un dispositivo con tres componentes; Ánodo, Cátodo y Compuerta (Gate). El tiristor se comporta como un diodo, de hecho se podría decir que es un diodo rectificador con iniciación controlada por una puerta.

Primer Departamental: Tiristores

Los tiristores son componentes biestables, a si se les llama debido a que al ser semiconductores tienen dos estados en los que se encuentran estables; tanto como conductores como aislantes.

Son dispositivos unidireccionales, es decir la corriente solo fluye en un sentido, sentido directo, de manera que si se invierte el flujo, la corriente ya no puede pasar, esto es causado por el principio de funcionamiento que tienen.

Los tiristores funcionan como diodos. Están constituidos de una estructura PNPN o NPN.

Para entender el funcionamiento de los tiristores recordemos el diseño de un diodo.

Recordemos que un diodo de tipo P es aquel en el cual se añaden impurezas del grupo III a los átomos de Silicio de manera que al estar el diodo a temperatura ambiente se forman huecos por el rompimiento del enlace covalente provocando la ionización de la impureza.

Mientras que el tipo N es aquél en donde se introducen impurezas del grupo V de la tabla periódica. Al agregar las impurezas tenemos 5 electrones por lo tanto queda un electrón libre debido a la regla del octeto.

Los portadores de carga en un diodo N son de tipo negativos, y los portadores de carga en un tipo P son de carga positiva.

Cuando juntamos estos dos tipos en un tipo P-N tenemos portadores negativos en un lado y portadores positivos del otro lado. La zona donde se intersectan se llama zona de transición. Cuando el diodo esta polarizado inversamente los portadores positivos son atraídos a la fuente al igual que los negativos provocando un ensanchamiento de la zona de transición. El ensanchamiento de la zona de transición dificulta a los electrones el saltar de un lado a otro y genera una resistencia infinita por lo cual la corriente no puede pasar. Cuando se conecta polarizada directamente a la fuente la zona de transición se adelgaza y es más fácil para los electrones llegar al otro lado.

Primer Departamental: Tiristores

Fig.1

En la figura 1 se puede observar la estructura PNPN de un tiristor, el cual se comporta igual que un diodo pero con tres zonas de transición.

El tiristor se puede activar de diferentes formas:

Aumento de temperatura: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. Lo cual debido a la acción regenerativa del tiristor hará que la corriente tienda a la unidad y podrá activar el dispositivo.

Aumento de 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.

Señal inducida en la Compuerta:Si un tiristor está polarizado directamente, la inducción de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor.

Por 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.

Velocidad de incremento de voltaje: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.

El funcionamiento de un tiristor esta explicado en la siguiente gráfica:

Primer Departamental: Tiristores

Fig1.1.

Cuando se activa el tiristor en polarización directa se llega a un aumento repentino de corriente en el dispositivo, que es justo el momento en que la corriente venció la resistencia de la zona de transición número uno. Cuando la resistencia de la zona uno es vencida ya no es necesario seguir aumentando la corriente porque el flujo de electrones ya está pasando a través del tiristor. Es entonces cuando se alcanza una corriente de inducción debido a la retroalimentación del sistema y se puede quitar la señal de la compuerta. Que es justo donde el voltaje va bajando en la gráfica y la corriente de inducción aumentando hasta llegar a un punto en el cual la corriente de inducción se dispara.

En el caso contrario al comportarse como un diodo si se aumenta el voltaje la corriente incrementara hasta saturar el dispositivo y alcanzar su zona de ruptura. (Fig.2).

Fig.2

Zona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de RupturaZona de Ruptura

Primer Departamental: Tiristores

Aplicaciones

Los tiristores normalmente son usados en diseños de circuitos que requieran una intensidad de corriente eléctrica alta, también se utilizan para conectar o desconectar un dispositivo mediante el cambio de polarización.

También se utilizan como elementos de control del ángulo de fase. Esto se logra mediante una modulación de pulsos de control para el incremento o disminución del voltaje aplicado.

En circuitos digitales se pueden utilizar como fuente de energía, de manera que se usen como interruptores automáticos de tipo magnético o térmico. Pueden interrumpir un circuito abriéndolo cuando la intensidad de corriente sea muy alta para los componentes de dicho circuito.

Un último uso es el de colocar al tiristor con un diodo Zener enganchado a la compuerta, de manera que cuando el voltaje de energía de la fuente supera el voltaje del Zener, el tiristor conduce la corriente hacia un fusible y lo funde.

Este tipo de usos se pueden encontrar en electrodomésticos, ajustes de entrada en televisores, rectificadores de corriente alterna a corriente continua para calentadores, sistemas de iluminación, etc.

Tipos de Tiristores

Hay ocho tipos de Tiristores:

Tiristores de Control de Fase o Conmutación rápida (SCR). Tiristores de Desactivación por Compuerta (GTO). Tiristores de Triodo Bidimensional (TRIAC). Tiristores de conducción inversa (RTC). Tiristores de inducción estática (SITH). Rectificadores controlados por silicio de activación de luz (LASCR). Tiristores controlados por FET (FET-CTH). Tiristores controlados por MOS (MCT).

Primer Departamental: Tiristores

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

El SCR es el más importante de esta familia y fue desarrollado por General Electric en los finales de los 50´s.

Es un rectificador controlado. Su característica voltaje-corriente con la compuerta en ciruito abierto es la misma que un tiristor PNPN. Lo que hace especial este tipo de tiristor es que a medida que se aumenta la corriente en la compuerta el voltaje de encendido o de ruptura disminuye siendo esta la razón por la cual se utiliza mucho en diseños de circuitos para motores. Donde lo que se necesita es controlar la potencia, incluso incrementarla sin dañar el circuito.

Figura 3. Símbolo del 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 presente en el SCR

3. Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso y llegue a su zona de ruptura.

Tiristores de desactivación por compuerta (GTO)

 Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por medio de una pulsación muy grande en la compuerta de entrada. Esta mejora se ha utilizado mucho en los sistemas de control de potencia para evitar interruptores externos al circuito en caso de exceder la potencia.

El GTO al momento de recibir una pulsación lo suficientemente grande de 20 microsegundos a 30 microsegundos de duración apaga el SCR.

Primer Departamental: Tiristores

Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).

Consiste en un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados uno en contra del otro, es decir contrapuestos, con una compuerta de paso común; La corriente puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa.

EL voltaje de ruptura disminuye si se aumenta la corriente de la compuerta tal cual como un SCR lo hace. La diferencia radica en que la compuerta hace caso tanto a señales positivas como a señales negativas. Una vez que se activa el TRIAC permanece asi hasta que su corriente cae por debajo de Ih.

 

Figura 5. Símbolo del TRIAC.

Tiristores de conducción inversa (RTC).

Se conecta un diodo anti paralelo a través de un SCR, esto con la finalidad de permitir que el flujo de corriente inversa pueda pasar. También tiene como finalidad la desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 o 2 V por debajo de las condiciones establecidas en un estado permanente. Bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30 V debido al voltaje inducido por parte del circuito dentro del dispositivo.

Primer Departamental: Tiristores

Fig.6.

Tiristores de inducción estática (SITH).  

Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas. Un SITH tiene capacidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de incrementos de velocidad de voltajes y corrientes. Este tipo de tiristor es muy sensible a sus procesos de fabricación por lo que cualquier alteración en el proceso de manufactura puede afectar su funcionamiento.

Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR).

Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt). Se utilizan en circuitos que requieran alto voltaje y alta intensidad de corriente.

Tiristores controlados por FET (FET-CTH).

Primer Departamental: Tiristores

Un dispositivo FET-CTH combina un MOSFET y un tiristor en paralelo .Si a la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, típicamente 3v, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. Tiene una alta velocidad de conmutación, un di/dt alto y un dv/dt alto.

Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante control de compuerta. Esto serviría en aplicaciones en las que un disparo óptico debe utilizarse con el fin de proporcionar un aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia.

 

Fig. 7.

Tiristores controlados por MOS (MCT).

Un tiristor MOS combina las mejores características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS.

Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta.

Las principales características de un tiristor MOS son:

Una baja caída de voltaje directo durante la conducción;

Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4 microsegundos, y un tiempo de desactivado rápido, típicamente 1.25 microsegundos, para un MCT de 300A, 500v;

Primer Departamental: Tiristores

Bajas perdidas de conmutación;

Una baja capacidad de bloqueo a voltaje inverso.

Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de

excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua

Fig.8..

Bibliografía

http://www.youtube.com/watch?v=v58KiktJLyE&hd=1#!

http://jimmy-calderon.blogspot.mx/2011/11/tiristores-controlados-por-mos-mct.html

Primer Departamental: Tiristores

http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm

www.labre-pr.org.br/pdf/ tiristores .pdf

http://www.cyclopaedia.es/wiki/Tiristores-controlados-por-MOS

http://es.slideshare.net/Boytronic/tiristores-caractersticas-aplicaciones-y-funcionamiento