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rectificador controlado de silicio

Diagrama de 4 capas (pnpn) de SCR Un rectificador controlado de silicio o rectificador controlado de semiconductor (SCR) es un dispositivo de control de corriente de estado sóli...

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Diagrama de 4 capas (pnpn) de SCR

Un rectificador controlado de silicio o rectificador controlado de semiconductor (SCR) es un dispositivo de control de corriente de estado sólido de cuatro capas . El nombre "rectificador controlado de silicio" es la marca comercial de General Electric para un tipo de tiristor . El principio de conmutación p-n-p-n de cuatro capas fue desarrollado por Moll , Tanenbaum , Goldey y Holonyak de Bell Labs en 1956. [ 1 ] La demostración práctica de la conmutación controlada de silicio y el comportamiento teórico detallado de un dispositivo en concordancia con los resultados experimentales fue presentada por el Dr. Ian M. Mackintosh de Bell Laboratories en enero de 1958. [ 2 ] [ 3 ] El SCR fue desarrollado por un equipo de ingenieros de potencia liderado por Gordon Hall [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] y comercializado por Frank W. "Bill" Gutzwiller en 1957.

Algunas fuentes definen los rectificadores controlados de silicio y los tiristores como sinónimos [ 8 ], mientras que otras definen los rectificadores controlados de silicio como un subconjunto propio del conjunto de tiristores; estos últimos son dispositivos con al menos cuatro capas de material de tipo n y p alternadas . [ 9 ] [ 10 ] Según Bill Gutzwiller, los términos "SCR" y "rectificador controlado" eran anteriores, y "tiristor" se aplicó posteriormente, a medida que el uso del dispositivo se extendió internacionalmente. [ 11 ]

Los SCR son dispositivos unidireccionales (es decir, solo pueden conducir corriente en una dirección), a diferencia de los TRIAC , que son bidireccionales (es decir, los portadores de carga pueden fluir a través de ellos en cualquier dirección). Los SCR normalmente solo se activan mediante una corriente positiva que entra por la compuerta, a diferencia de los TRIAC, que se activan normalmente mediante una corriente positiva o negativa aplicada a su electrodo de compuerta.

Modos de funcionamiento

Curva característica de un rectificador controlado por silicio

Un SCR tiene tres modos de funcionamiento dependiendo de la polarización que se le aplique:

  1. Modo de bloqueo hacia adelante (estado desactivado)
  2. Modo de conducción directa (estado activado)
  3. Modo de bloqueo inverso (estado apagado)

Modo de bloqueo hacia adelante

En este modo de operación, al ánodo (+, lado dopado con p) se le aplica un voltaje positivo, mientras que al cátodo ( − , lado dopado con n) se le aplica un voltaje negativo, manteniendo la compuerta a potencial cero (0), es decir, desconectada. En este caso, las uniones J1 y J3 están polarizadas en directa , mientras que J2 está polarizada en inversa , lo que permite solo una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Cuando el voltaje aplicado alcanza el valor de ruptura para J2 , entonces J2 sufre una ruptura por avalancha. A este voltaje de ruptura, J2 comienza a conducir, pero por debajo de este voltaje, J2 ofrece una resistencia muy alta a la corriente y se dice que el SCR está en estado apagado.

Modo de conducción hacia adelante

Un SCR puede pasar del modo de bloqueo al modo de conducción de dos maneras: aumentando la tensión entre el ánodo y el cátodo por encima de la tensión de ruptura, o aplicando un pulso positivo en la compuerta. Una vez que el SCR comienza a conducir, no se requiere más tensión en la compuerta para mantenerlo en estado de conducción . La corriente mínima necesaria para mantener el SCR en estado de conducción al retirar la tensión de la compuerta se denomina corriente de enclavamiento.

Hay dos maneras de apagarlo:

  1. Reduzca la corriente que lo atraviesa por debajo de un valor mínimo llamado corriente de mantenimiento, o
  2. Con la compuerta apagada, cortocircuite momentáneamente el ánodo y el cátodo mediante un interruptor de botón pulsador o un transistor conectado a través de la unión.

Modo de bloqueo inverso

Cuando se aplica un voltaje negativo al ánodo y un voltaje positivo al cátodo, el SCR se encuentra en modo de bloqueo inverso, polarizando inversamente J1 y J3 y directamente J2. El dispositivo se comporta como dos diodos conectados en serie. Se produce una pequeña corriente de fuga. Este es el modo de bloqueo inverso. Si se incrementa el voltaje inverso, al alcanzar el nivel crítico de ruptura, denominado voltaje de ruptura inversa (VBR ) , se produce una avalancha en J1 y J3, y la corriente inversa aumenta rápidamente. Existen SCR con capacidad de bloqueo inverso, lo que incrementa la caída de voltaje directo debido a la necesidad de una región P1 larga y de bajo dopaje. Generalmente, la tensión de bloqueo inverso y la tensión de bloqueo directo son iguales. La aplicación típica de un SCR de bloqueo inverso se encuentra en inversores de fuente de corriente.

Un SCR incapaz de bloquear la tensión inversa se conoce como SCR asimétrico , abreviado ASCR . Normalmente tiene una tensión de ruptura inversa del orden de decenas de voltios. Los ASCR se utilizan cuando se aplica un diodo de conducción inversa en paralelo (por ejemplo, en inversores de fuente de tensión) o cuando la tensión inversa nunca se produciría (por ejemplo, en fuentes de alimentación conmutadas o convertidores CC-CC).

Los SCR asimétricos se pueden fabricar con un diodo de conducción inversa en el mismo encapsulado. Estos se conocen como RCT, por tiristores de conducción inversa .

Métodos de activación de tiristores

  1. Disparo por tensión directa
  2. activación de puerta
  3. Disparo dV / dt
  4. activación térmica
  5. activación por luz

El disparo por tensión directa se produce cuando la tensión directa ánodo-cátodo aumenta al abrirse el circuito de puerta. Esto se conoce como ruptura por avalancha, durante la cual la unión J2 se rompe. A tensiones suficientes, el tiristor cambia a su estado de conducción con una baja caída de tensión y una gran corriente directa. En este caso, J1 y J3 ya están polarizados en directa .

Para que se produzca el disparo de la compuerta, el tiristor debe estar en estado de bloqueo directo, donde la tensión aplicada es menor que la tensión de ruptura; de lo contrario, podría producirse un disparo por tensión directa. A continuación, se puede aplicar un pequeño pulso de tensión positiva entre la compuerta y el cátodo. Esto genera un único pulso de corriente de compuerta que activa el tiristor. En la práctica, este es el método más común para disparar un tiristor.

El disparo por temperatura se produce cuando el ancho de la región de agotamiento disminuye al aumentar la temperatura. Cuando el SCR está cerca de VPO, un aumento muy pequeño de la temperatura provoca la desconexión de la unión J2, lo que activa el dispositivo.

Circuito SCR simple

Un circuito SCR simple con una carga resistiva

Un circuito SCR simple se puede ilustrar usando una fuente de voltaje CA conectada a un SCR con una carga resistiva. Sin un pulso de corriente aplicado a la compuerta del SCR, este permanece en su estado de bloqueo directo. Esto permite controlar el inicio de la conducción del SCR. El ángulo de retardo α, que es el instante en que se aplica el pulso de corriente a la compuerta con respecto al instante de conducción natural (ωt = 0), controla el inicio de la conducción. Una vez que el SCR conduce, no se apaga hasta que la corriente que lo atraviesa, i s , se vuelve negativa. i s permanece cero hasta que se aplica otro pulso de corriente a la compuerta y el SCR comienza a conducir nuevamente. [ 12 ]

Aplicaciones

Los tiristores se utilizan principalmente en dispositivos que requieren el control de alta potencia, posiblemente combinada con alto voltaje. Su funcionamiento los hace idóneos para aplicaciones de control de potencia de CA de voltaje medio a alto, como la atenuación de lámparas , los reguladores de potencia y el control de motores.

Los SCR y dispositivos similares se utilizan para la rectificación de corriente alterna de alta potencia en la transmisión de corriente continua de alto voltaje . También se emplean en el control de máquinas de soldar, principalmente en la soldadura TIG y procesos similares. Se utilizan como interruptores electrónicos en diversos dispositivos. Las primeras máquinas de pinball de estado sólido los utilizaban para controlar electrónicamente, en lugar de mecánicamente, luces, solenoides y otras funciones; de ahí su nombre de estado sólido.

Otras aplicaciones incluyen circuitos de conmutación de potencia, rectificadores controlados, control de velocidad de motores de derivación de CC, protectores contra sobretensiones con tiristores (SCR), circuitos lógicos informáticos, circuitos de temporización e inversores.

Comparación con SCS

Un interruptor controlado por silicio (SCS) se comporta de forma muy similar a un SCR; sin embargo, existen algunas diferencias. A diferencia de un SCR, un SCS se desactiva cuando se aplica una tensión/corriente de entrada positiva a otro terminal de la compuerta del ánodo. A diferencia de un SCR, un SCS puede activarse para conducir cuando se aplica una tensión/corriente de salida negativa a ese mismo terminal.

Los interruptores de conmutación de estado sólido (SCS) son útiles en prácticamente todos los circuitos que requieren un interruptor que se encienda o apague mediante dos pulsos de control distintos. Esto incluye circuitos de conmutación de potencia, circuitos lógicos, controladores de lámparas y contadores.

En comparación con los TRIAC

Un TRIAC se asemeja a un SCR en que ambos funcionan como interruptores controlados eléctricamente. A diferencia de un SCR, un TRIAC puede conducir corriente en ambas direcciones. Por lo tanto, los TRIAC son particularmente útiles para aplicaciones de corriente alterna (CA). Los TRIAC tienen tres terminales: un terminal de puerta y dos terminales conductores, denominados MT1 y MT2. Si no se aplica corriente ni voltaje al terminal de puerta, el TRIAC se apaga. Por otro lado, si se aplica el voltaje de disparo al terminal de puerta, el TRIAC se enciende.

Los TRIAC son adecuados para circuitos de atenuación de luz, circuitos de control de fase, circuitos de conmutación de potencia de CA, circuitos de control de motores de CA, etc.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Moll, J.; Tanenbaum, M.; Goldey, J.; Holonyak, N. (septiembre de 1956). "Interruptores de transistores PNPN". Actas del IRE . 44 (9): 1174– 1182. doi : 10.1109/jrproc.1956.275172 . ISSN 0096-8390 . S2CID 51673404 .  
  2. ↑ Vasseur, JP (2016-06-06). Propiedades y aplicaciones de los transistores . Elsevier. ISBN 9781483138886.
  3. ↑ Twist, Jo (18 de abril de 2005). "Ley que ha impulsado la vida digital" . BBC News . Consultado el 27 de julio de 2018 .
  4. ↑ Ward, Jack. "La historia temprana del rectificador controlado de silicio" . pág. 6. Consultado el 12 de abril de 2014 . 
  5. ↑ "Semiconductores: tiristores y más" . Centro Tecnológico Edison.
  6. ↑ "SCR cumple 50 años" (PDF) . Revista IEEE Industry Applications.
  7. ↑ Mungenast, JE "La revolución SCR" . RF Cafe . General Electric Co.
  8. ↑ Christiansen, Donald; Alexander, Charles; Jurgen, Ronald (2005). Manual estándar de ingeniería electrónica, 5.ª edición . McGraw-Hill. ISBN 9780071384216.
  9. ↑ Norma 60747-6 de la Comisión Electrotécnica Internacional
  10. ↑ Dorf, Richard C. (26 de septiembre de 1997). Manual de ingeniería eléctrica, segunda edición . CRC Press. ISBN 9781420049763.
  11. ↑ Ward, Jack. "La historia temprana del rectificador controlado de silicio" . pág. 7. Consultado el 12 de abril de 2014 . 
  12. ↑ Mohan, Ned (2012). Electrónica de potencia: Un primer curso . Estados Unidos: Don Fowley. págs. 230–231 . ISBN  978-1-118-07480-0.

Lecturas adicionales

  • ON Semiconductor (noviembre de 2006). Teoría y consideraciones de diseño de tiristores (PDF) (rev.1, ed. HBD855/D  ). pág.  240.
  • GK Mithal. Electrónica industrial y de potencia .
  • KB Khanchandani. Electrónica de potencia .
  • SCR en AllAboutCircuits
  • Diseño de circuitos SCR