tiristor

Un tiristor ( / θ aɪ ˈ r ɪ s t ər / , de una combinación del idioma griego θύρα , que significa "puerta" o "válvula", y transistor ^{[ 1 ]} ) es un dispositivo semiconductor de estado sólido que puede pensarse como un diodo conmutable y altamente robusto , que permite el paso de corriente en una dirección pero no en la otra, a menudo bajo el control de un electrodo de puerta, que se utiliza en aplicaciones de alta potencia como inversores y generadores de radar . Generalmente consta de cuatro capas de materiales de tipo P y N alternados . ^{[ 2 ] : 12} Actúa como un interruptor biestable (o un pestillo ). ^{[ 2 ] : 12} Hay dos diseños, que difieren en lo que activa el estado de conducción. En un tiristor de tres terminales, una pequeña corriente en su terminal de puerta controla la corriente mayor del camino ánodo-cátodo. En un tiristor de dos terminales, la conducción comienza cuando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es suficientemente grande (tensión de ruptura). El tiristor continúa conduciendo hasta que la tensión a través del dispositivo se polariza inversamente o se elimina la tensión (por algún otro medio), ^{[ 2 ] : 12} o a través de la señal de puerta de control en los tipos más nuevos.

Algunas fuentes definen " rectificador controlado de silicio " (SCR) y "tiristor" como sinónimos. ^{[ 3 ]} Otras fuentes definen los tiristores como dispositivos más complejos que incorporan al menos cuatro capas de sustrato de tipo N y tipo P alternadas.

Los primeros tiristores se comercializaron en 1956. Gracias a su pequeño tamaño, los tiristores pueden controlar una cantidad considerable de potencia y voltaje, lo que les confiere una amplia aplicación en el control de la energía eléctrica, desde reguladores de intensidad luminosa y control de velocidad de motores eléctricos hasta la transmisión de corriente continua de alto voltaje . Los tiristores se utilizan en circuitos de conmutación de potencia, circuitos de sustitución de relés , circuitos inversores, circuitos osciladores, circuitos detectores de nivel, circuitos chopper , circuitos de atenuación de luz, circuitos temporizadores de bajo coste, circuitos lógicos, circuitos de control de velocidad, circuitos de control de fase, etc. Originalmente, los tiristores se apagaban únicamente mediante la inversión de la corriente, lo que dificultaba su aplicación a la corriente continua; los nuevos tipos de dispositivos pueden encenderse y apagarse mediante la señal de puerta de control. Este último se conoce como tiristor de apagado por puerta o tiristor GTO.

A diferencia de los transistores , los tiristores tienen una característica de conmutación binaria, lo que significa que un tiristor solo puede estar completamente encendido o apagado, mientras que un transistor puede estar en un estado intermedio entre encendido y apagado. Esto hace que un tiristor no sea adecuado como amplificador analógico, pero sí útil como interruptor.

El rectificador controlado de silicio (SCR) o tiristor, propuesto por William Shockley en 1950 e impulsado por Moll y otros en los Laboratorios Bell, fue desarrollado en 1956 por ingenieros de potencia de General Electric (GE), liderados por Gordon Hall, y comercializado por Frank W. "Bill" Gutzwiller de GE. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos ( IEEE ) reconoció la invención colocando una placa en el lugar de la invención en Clyde, Nueva York , y declarándola un Hito Histórico del IEEE.

En 1960, Transitron Electronic Corporation comercializó un tetrodo PNPN con una alta ganancia de corriente en ese momento, conocido como Binistor . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Se preveía que el dispositivo se aplicaría tanto en circuitos de conmutación como de almacenamiento de datos. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Un artículo de investigación que utilizó el tetrodo de Transitron demostró un circuito de fuente de alimentación conmutada "inusual" (en ese momento). ^{[ 6 ] [ 6 ] : 41}

Un dispositivo anterior de tubo lleno de gas llamado tiratrón proporcionaba una capacidad de conmutación electrónica similar, donde una pequeña tensión de control podía conmutar una gran corriente. El término "tiristor" deriva de la combinación de "tiratrón" y " transistor ". ^{[ 2 ] : 12}

En los últimos años, algunos fabricantes ^{[ 7 ]} han desarrollado tiristores utilizando carburo de silicio (SiC) como material semiconductor. Estos tienen aplicaciones en entornos de alta temperatura, siendo capaces de operar a temperaturas de hasta350  °C .

El tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas y tres terminales, donde cada capa consta de materiales de tipo N o tipo P alternados , por ejemplo, PNPN. Los terminales principales, denominados ánodo y cátodo, se encuentran en las cuatro capas. El terminal de control, llamado puerta, está conectado al material de tipo P cerca del cátodo. (Una variante llamada SCS —interruptor controlado de silicio— conecta las cuatro capas a terminales). El funcionamiento de un tiristor puede entenderse como un par de transistores bipolares de unión estrechamente acoplados , dispuestos para generar un enclavamiento automático.

Los tiristores tienen tres estados:

1. Modo de bloqueo inverso: Se aplica voltaje en la dirección que bloquearía un diodo.
2. Modo de bloqueo directo: Se aplica voltaje en la dirección que haría que un diodo condujera, pero el tiristor no se ha activado para conducir.
3. Modo de conducción directa: El tiristor se ha activado y permanecerá en conducción hasta que la corriente directa caiga por debajo de un valor umbral conocido como "corriente de mantenimiento".

Terminal de puerta

El tiristor tiene tres uniones pn (denominadas en serie J ₁ , J ₂ , J ₃ desde el ánodo).

Cuando el ánodo tiene un potencial positivo V _AK con respecto al cátodo y no se aplica voltaje en la compuerta, las uniones J ₁ y J ₃ están polarizadas en directa, mientras que la unión J ₂ está polarizada en inversa. Dado que J ₂ está polarizada en inversa, no hay conducción (estado de apagado). Si V _AK aumenta más allá del voltaje de ruptura V _BO del tiristor, se produce una ruptura por avalancha en J _{2 y el tiristor comienza a conducir (estado de encendido).}

Si se aplica un potencial positivo V _G en el terminal de puerta con respecto al cátodo, la ruptura de la unión J ₂ ocurre a un valor menor de V _AK . Al seleccionar un valor apropiado de V _G , el tiristor puede conmutarse rápidamente al estado de encendido.

Una vez que se ha producido la ruptura por avalancha, el tiristor continúa conduciendo, independientemente de la tensión de puerta, hasta que se elimina el potencial V _AK o la corriente a través del dispositivo (ánodo-cátodo) se vuelve menor que la corriente de mantenimiento especificada por el fabricante. Por lo tanto, V _G puede ser un pulso de tensión, como la tensión de salida de un oscilador de relajación UJT .

Los pulsos de puerta se caracterizan en términos de voltaje de disparo de puerta ( VGT ) y corriente de disparo de puerta ( IGT ). La corriente de disparo de puerta varía inversamente con el ancho del pulso de puerta _{, de tal manera que resulta evidente que se requiere una} carga _de puerta mínima para disparar el tiristor.

Características de conmutación

En un tiristor convencional, una vez activado por el terminal de puerta, el dispositivo permanece enclavado en el estado de encendido (es decir, no necesita un suministro continuo de corriente de puerta para permanecer en dicho estado), siempre que la corriente del ánodo supere la corriente de enclavamiento ( I _L ). Mientras el ánodo permanezca polarizado positivamente, no se puede apagar a menos que la corriente caiga por debajo de la corriente de mantenimiento ( I _H ). En condiciones normales de funcionamiento, la corriente de enclavamiento siempre es mayor que la corriente de mantenimiento. En la figura anterior, I _L debe superar a I _H en el eje y, ya que I _L > I _H .

Un tiristor puede desconectarse si el circuito externo polariza negativamente su ánodo (método conocido como conmutación natural o de línea). En algunas aplicaciones, esto se logra conmutando un segundo tiristor para descargar un condensador en el ánodo del primero. Este método se denomina conmutación forzada.

Una vez que la corriente que atraviesa el tiristor cae por debajo de la corriente de mantenimiento, debe existir un retardo antes de que el ánodo pueda polarizarse positivamente _y mantener el tiristor en estado apagado. Este retardo mínimo se denomina tiempo de desconexión conmutada del circuito ( tQ ). Intentar polarizar positivamente el ánodo dentro de este tiempo provoca que el tiristor se autoactive debido a los portadores de carga restantes ( huecos y electrones ) que aún no se han recombinado .

• ACS: Interruptor de CA: un TRIAC de alta conmutación y con protección contra sobretensiones, con búfer de puerta.
• ACST: Interruptor de CA: un TRIAC de alta conmutación y protegido contra sobretensiones.
• AGT: tiristor de compuerta de ánodo: un tiristor con compuerta en la capa de tipo n cerca del ánodo.
• ASCR : SCR asimétrico
• BCT: tiristor de control bidireccional: un dispositivo de conmutación bidireccional que contiene dos estructuras de tiristor con contactos de puerta separados.
• BOD: diodo de ruptura : un tiristor sin puerta activado por corriente de avalancha.
  • DIAC : dispositivo de disparo bidireccional
  • Dynistor: dispositivo de conmutación unidireccional
  • Diodo Shockley : dispositivo de disparo y conmutación unidireccional
  • SIDAC : dispositivo de conmutación bidireccional
  • Trisil , SIDACtor: dispositivos de protección bidireccional
• BRT: tiristor controlado por resistencia de base
• ETO : tiristor de desconexión del emisor ^{[ 9 ]}
• GTO : tiristor de desconexión de puerta
  • DB-GTO: tiristor de apagado de puerta con búfer distribuido
  • MA-GTO: tiristor de desconexión de puerta con ánodo modificado
• IGCT : tiristor conmutado por puerta integrado
• Encendedor: generadores de chispas para circuitos de encendido de fuego
• LASCR: SCR activado por luz, o LTT: tiristor activado por luz
• LASS: interruptor semiconductor activado por luz
• MCT : Tiristor controlado por MOSFET: Contiene dos estructuras FET adicionales para el control de encendido/apagado.
• CSMT o MCS: tiristor de inducción estática compuesto MOS
• PUT o PUJT: transistor unijuntura programable: un tiristor con puerta en la capa de tipo n cerca del ánodo, utilizado como reemplazo funcional del transistor unijuntura.
• Quadrac : tipo especial de tiristor que combina un DIAC y un TRIAC en un solo paquete.
• RCT : tiristor de conducción inversa
• SCS: interruptor controlado de silicio o tetrodo de tiristor : un tiristor con compuertas tanto de cátodo como de ánodo; en efecto, una combinación de SCR y PUT en un solo dispositivo.
• SCR : rectificador controlado de silicio
• SITh : tiristor de inducción estática, o FCTh : tiristor controlado por campo: contiene una estructura de puerta que puede interrumpir el flujo de corriente del ánodo.
• TRIAC : triodo para corriente alterna: un dispositivo de conmutación bidireccional que contiene dos estructuras de tiristores con contacto de puerta común.

Fototiristores

Los fototiristores se activan mediante luz. Su ventaja radica en su insensibilidad a las señales eléctricas, que pueden provocar fallos de funcionamiento en entornos con interferencias eléctricas. Un tiristor activado por luz (LTT) posee una región ópticamente sensible en su compuerta, a la que se acopla radiación electromagnética (generalmente infrarroja ) mediante una fibra óptica . Dado que no se requieren placas electrónicas conectadas al potencial del tiristor para su activación, los tiristores activados por luz ofrecen ventajas en aplicaciones de alta tensión, como la transmisión de corriente continua de alta tensión ( HVDC ). Existen tiristores activados por luz con protección contra sobretensión (VBO) integrada, que los activa cuando la tensión directa es excesiva; también se han fabricado con protección de recuperación directa integrada , aunque no están disponibles comercialmente. A pesar de la simplificación que aportan a la electrónica de una válvula HVDC, los tiristores activados por luz pueden requerir cierta electrónica de monitorización y solo están disponibles a través de unos pocos fabricantes.

Dos tipos comunes de fototiristores son el SCR activado por luz (LASCR) y el TRIAC activado por luz . Un LASCR actúa como un interruptor que se activa al exponerse a la luz. Tras la exposición a la luz, si esta se interrumpe y la alimentación no se ha invertido, el LASCR permanece activado. Un TRIAC activado por luz es similar a un LASCR, con la diferencia de que está diseñado para corrientes alternas.

Los fabricantes de tiristores generalmente especifican una región de disparo seguro, definiendo los niveles aceptables de voltaje y corriente para una temperatura de funcionamiento determinada . El límite de esta región está determinado en parte por el requisito de que no se exceda la potencia máxima de puerta admisible ( P _G ), especificada para una duración de pulso de disparo determinada. ^{[ 10 ]}

Además de los modos de fallo habituales debidos a la superación de los límites de tensión, corriente o potencia, los tiristores tienen sus propios modos de fallo particulares, entre los que se incluyen:

• d i /d t de encendido : en el que la tasa de aumento de la corriente en estado activo después del disparo es mayor que la que puede soportar la velocidad de propagación del área de conducción activa (SCR y TRIAC).
• Conmutación forzada: en la que la corriente transitoria de recuperación inversa máxima provoca una caída de voltaje tan alta en la región del subcátodo que supera el voltaje de ruptura inversa de la unión del diodo puerta-cátodo (solo SCR).
• Activación de d v /d t : el tiristor puede dispararse de forma espuria sin activación desde la puerta si la velocidad de aumento de la tensión entre el ánodo y el cátodo es demasiado grande.

Los tiristores se utilizan principalmente en aplicaciones con altas corrientes y voltajes, y a menudo para controlar corrientes alternas . En estas aplicaciones, el cambio de polaridad de la corriente provoca que el dispositivo se apague automáticamente, lo que se conoce como operación de " cruce por cero ". Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona ; es decir, una vez activado, conduce corriente en fase con el voltaje aplicado en su unión cátodo-ánodo sin necesidad de modulación de puerta adicional, es decir, el dispositivo está completamente encendido . Esto no debe confundirse con la operación asimétrica, ya que la salida es unidireccional, fluyendo únicamente del cátodo al ánodo, y por lo tanto es de naturaleza asimétrica.

Los tiristores pueden utilizarse como elementos de control para controladores activados por ángulo de fase, también conocidos como controladores de disparo por fase .

También se pueden encontrar en fuentes de alimentación para circuitos digitales , donde se utilizan como una especie de " interruptor automático reforzado " para evitar que una falla en la fuente de alimentación dañe los componentes posteriores. Se utiliza un tiristor junto con un diodo Zener conectado a su puerta; y si la tensión de salida de la fuente supera la tensión Zener, el tiristor conduce y cortocircuita la salida de la fuente de alimentación a tierra (generalmente también disparando un interruptor o fusible anterior ). Este tipo de circuito de protección se conoce como crowbar y tiene la ventaja sobre un interruptor o fusible estándar de que crea una ruta de alta conductancia a tierra para proteger la tensión de alimentación y, potencialmente, la energía almacenada (en el sistema alimentado).

La primera aplicación a gran escala de tiristores, con su diac de disparo asociado , en productos de consumo relacionados con fuentes de alimentación estabilizadas en receptores de televisión en color a principios de la década de 1970. La fuente de alimentación de CC de alto voltaje estabilizada para el receptor se obtenía moviendo el punto de conmutación del tiristor a lo largo de la pendiente descendente de la mitad positiva de la entrada de CA (si se utilizaba la pendiente ascendente, la tensión de salida siempre aumentaría hacia la tensión de entrada máxima cuando se disparaba el dispositivo, lo que anularía el objetivo de la regulación). El punto de conmutación preciso estaba determinado por la carga en la salida de CC, así como por las fluctuaciones de la entrada de CA.

Los tiristores se han utilizado durante décadas como reguladores de luz en televisión , cine y teatro , donde sustituyeron a tecnologías inferiores como los autotransformadores y los reóstatos . También se han utilizado en fotografía como componente esencial de los flashes (estroboscopios).

transmisión de electricidad HVDC

Dado que los tiristores modernos pueden conmutar potencia en la escala de megavatios , las válvulas de tiristores se han convertido en el núcleo de la conversión de corriente continua de alta tensión (HVDC) hacia o desde corriente alterna. En el ámbito de esta y otras aplicaciones de muy alta potencia, ^{[ 2 ] : 12} los tiristores activados eléctricamente (ETT) y activados por luz (LTT) ^{[ 12 ] [ 13 ]} siguen siendo la opción principal. Los tiristores se disponen en un circuito de puente de diodos y, para reducir los armónicos, se conectan en serie para formar un convertidor de 12 pulsos . Cada tiristor se enfría con agua desionizada , y toda la disposición se convierte en uno de los múltiples módulos idénticos que forman una capa en una pila de válvulas multicapa llamada válvula cuádruple . Normalmente, tres de estas pilas se montan en el suelo o cuelgan del techo de la sala de válvulas de una instalación de transmisión de larga distancia. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La desventaja funcional de un tiristor es que, al igual que un diodo, solo conduce en una dirección, por lo que no puede utilizarse de forma segura con corriente alterna . Un dispositivo similar de cinco capas con enclavamiento automático, llamado TRIAC , puede funcionar en ambas direcciones. Sin embargo, esta capacidad adicional también puede convertirse en una desventaja. Debido a que el TRIAC puede conducir en ambas direcciones, las cargas reactivas pueden provocar que no se apague durante los instantes de tensión cero del ciclo de potencia de CA. Por ello, el uso de TRIAC con (por ejemplo) cargas de motor altamente inductivas suele requerir el uso de un circuito de amortiguación alrededor del TRIAC para asegurar que se apague con cada semiciclo de la alimentación de red. También se pueden utilizar tiristores en paralelo inverso en lugar del TRIAC; dado que a cada tiristor del par se le aplica un semiciclo completo de polaridad inversa, los tiristores, a diferencia de los TRIAC, se apagan con seguridad. Sin embargo, el "precio" que hay que pagar por esta configuración es la complejidad añadida de dos circuitos de control separados, pero esencialmente idénticos.

Aunque los tiristores se utilizan ampliamente en la rectificación de CA a CC a escala de megavatios , en aplicaciones de baja y media potencia (desde unas pocas decenas de vatios hasta unas pocas decenas de kilovatios) han sido prácticamente reemplazados por otros dispositivos con características de conmutación superiores, como los MOSFET de potencia o los IGBT . Un problema importante asociado con los SCR es que no son interruptores totalmente controlables. El tiristor GTO y el IGCT son dos dispositivos relacionados con el tiristor que abordan este problema. En aplicaciones de alta frecuencia, los tiristores no son buenas opciones debido a los largos tiempos de conmutación derivados de la conducción bipolar. Los MOSFET, por otro lado, tienen una capacidad de conmutación mucho más rápida debido a su conducción unipolar (solo los portadores mayoritarios transportan la corriente).

• reactor controlado por tiristores
• Transistor bipolar de puerta aislada
• Cierre
• Cuadrángulo
• Tiratrón
• Accionamiento por tiristores
• tiristor de desconexión de puerta

• Wintrich, Arendt; Nicolai, Ulrich; Tursky, Werner; Reimann, Tobias (2011). Manual de aplicación de semiconductores de potencia 2011 (PDF) (2.ª  ed.). Núremberg, Alemania: Semikron . ISBN 978-3-938843-66-6Archivado del original (PDF) el 16 de septiembre de 2013.
• Teoría y consideraciones de diseño de tiristores (PDF) . ON Semiconductor . Junio ​​de 2005. HBD855/D Rev. 0. Archivado (PDF) del original el 31 de agosto de 2025. Consultado el 31 de agosto de 2025 .(1+240 páginas)
• Nicolai, Ulrich; Reimann, Tobías; Petzoldt, Jürgen; Lutz, Josef (1998). Manual de aplicación Módulos de potencia IGBT y MOSFET (1  ed.). ISLA Verlag. ISBN 3-932633-24-5Archivado del original el 2 de marzo de 2012.
• General Electric Corporation , ed. (1979). Manual SCR (6.ª  ed.). Prentice-Hall .

• La historia temprana del rectificador controlado de silicio por Frank William Gutzwiller (de GE)
• TIRISTORES de All About Circuits
• Circuito de control universal de tiristores
• Recursos de tiristores (explicación más sencilla)
• Tiristores de STMicroelectronics
• Conceptos básicos del tiristor

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