Tiristores Tiristores, Simbología y sus tipos Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN con tres uniones PN tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. Los tiristores se fabrican por difusión a continuación se observa se estructura Jair Josue Querales Querales C.I:24.165.131 Esc:70
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Tiristores Contenido 1-Tiristores 2-Simbolo básico del tiristor 3- Tipos de Tiristores - Nombres - Siglas - Características eléctricas - Frecuencia voltaje y corrientes - Ventajas y desventajas - Característica de control - Utilización y aplicación
Edición # 1
Tiristores
E
l tiristor (gr.: puerta) es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP). Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);1 otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo
encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric. Simbología electrónica
Configuración: Ánodo, Cátodo y puerta.
Funcionamiento básico El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión). Bloqueo Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de
provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodocátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo
Aplicaciones
Aplicaciones comerciales
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
Son en electrodomésticos (iluminación, calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores (aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas...)
Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.
Características generales de un Tiristor 1- Dispositivo de 4 capas alternadas. 2- Tiene estados estables de conducción y bloqueó. 3- Capaz de soportar las potencia más elevadas. 4- Control de encendido por corriente de puerta (pulso) 5- Frecuencia de conmutación no superior a 2KHz.
Tipos de Tiristores
Simbología Scr
Scr (Silicon Controlled Rectifier) Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor. Característica de control Activación con una señal de pulso apagado con conmutación natural. Frecuencia Baja 60 Hz Voltaje 1.5 Kv 0.1 MVA Corriente 1 KA 0.1 MVA Ventajas Scr 1- Activación sencilla, dispositivo de la ganancia de activación es muy alta. 2- Bajo costo,alto voltaje, alta corriente. Desventajas Scr 1- Baja velocidad de conmutación. 2- No se puede apagar control de compuerta.
BCT (Bidireccional Fhase Controlled Thyristors) Es un tiristor bidireccional controlado por fase. Es un concepto nuevo para control por fase con alta potencia, es un dispositivo único que combina las ventajas de tener dos tiristores en un encapsulado permitiendo diseñar equipos más compactos simplificando el sistema de enfriamiento y aumentando la fiabilidad en el sistema. Característica de control Activación con una señal de pulso apagado con conmutación natural. Frecuencia Baja 60 Hz Voltaje 6.5 Kv 1.5 KA 0.1 MVA Corriente 3 KA 1.8 K 0.1 MVA
Ventajas BCT 1- Igual que los SCR controlados por fase acepto que tienen 2 compuertas y la corriente puede pasar por ambas. 2- Combina 2 SCR espalda con espalda en un solo dispositivo. Desventajas BCT 1- Similar a los SCR controlados por fase Simbología BCT
Característica de control 1- Activación por una señal de pulso. Apagado con conmutación natural. Frecuencia Baja 60 Hz Ventajas LASCR 1- Parecida a los SCR controlados por fase, acepto que la compuerta está aislada. 2- Y se puede operar a control remoto Desventajas LASCR 1- Parecida a los controlados por fase.
SCR
Simbología LASCR
LASCR ( Light-Activated Sillicon Controlled Rectifier) Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocado por luz. Los pares de electrón-ion hueco que se crean debido a la radiación producen una 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.
TRIAC (Tiristores Bidimensional)
de
Tríodo
Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contra
posición, con una compuerta común; pueden ir en cualquier dirección desde el momento en el que el voltaje de ruptura se sobrepasa. Característica de control 1- Activación aplicando un pulso de señal a la compuerta para flujo de corrientes de ambas direcciones. 2- Apagado con conmutación natural. Frecuencia
GTO (Tiristor apagado por compuerta) Es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
Baja 60 Hz
Estructura y funcionamiento
Voltaje
La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Existen 4 capas de silicio (PNPN), 3 uniones (P-N, NP y P-N) y tres terminales: ánodo (A), cátodo (C o K) y puerta (G). La diferencia en la operación radica en que una señal negativa en la puerta (G) puede apagar el GTO. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la puerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de vías en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado.
1000 V Corriente 200 Amp Ventajas TRIAC 1- Igual que los SCR (Fase) excepto que la corriente puede pasar en ambas direcciones, tiene una compuerta para activar en ambas direcciones. Desventajas TRIAC 1- Parecida a los SCR (fase) excepto para aplicaciones de baja potencia. Simbología TRIAC
Característica de control 1- Activado con una señal positiva (+) en la compuerta, apagado con un pulso negativo. Ventajas GTO 1- Parecido a los tiristores de apagado rápido, excepto que se puede apagar con un pulso negativo. Desventajas GTO 1- La ganancia en apagado es baja, requiere una gran corriente de compuerta en estado encendido. 2- Hay una larga cola de corriente durante el apagado. 3- Dispositivo de retención que requiere una corriente mínima en la compuerta para mantener un estado de encendido. Frecuencia GTO Intermedia de 5 KHz
MTO ( Mos Turn-Off) Es una combinación de un GTO y un MOSFET que juntos superan las limitaciones de capacidad de apagado de GTO. Característica de control 1- Encendido con un pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido. 2- Apagado con un voltaje positivo a la compuerta de apagado de MOS que apaga el dispositivo. Ventajas MTO 1- Parecida a los GTO excepto que se puede encender por la compuerta normal y apagar por la puerta MOSFET Desventaja MTO 1- Parecida a los GTO, tiene una larga cola de corriente durante el apagado. Frecuencia GTO Intermedia de 5 KHz Voltaje
Simbología GTO
10 Kv 20 MVA 4.5 Kv 500 A Corriente 4 KA 500 MVA
ETO (Emitter Turn Off)
IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)
Dispositivo hibrido de MOS y GTO Característica de control 1- Encendido con pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido y un pulso positivo de voltaje a la compuerta de apagado del MOS. 2- Apagado con un pulso negativo de voltaje a la compuerta de apagado del MOS. Ventajas ETO 1- Debido al MOS en serie, la corriente de transferencia a la región catódica es rápida y el apagado es rápido. Desventaja ETO 1- Parecida al GTO tiene una larga cola de corriente durante el apagado. Frecuencia ETO Intermedia de 5 KHz Simbología ETO
Tiristor conmutado por compuerta y un activador en tarjeta de circuito impreso multicapa. Característica de control 1- Se enciende con un pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido se apaga aplicando una corriente negativa. Ventajas IGTO 1- Como un GTO de conexión permanente, apagado muy rápido debido al aumentó rápido de corriente que es grande en la compuerta de apagado. 2- Bajo consumo de compuerta de apagado puede tener un diodo anti paralelo incorporado. Desventaja IGCT 1- Parecida a los otros dispositivos GTO, la inductancia de la activación de compuertas y del lazo del cátodo deben tener un valor muy pequeño. Frecuencia ETO Intermedia de 5 KHz Voltaje 5 Kv 400A
Simbología IGCT
Simbología MTC
MCT (Mos Controlled Thyristor) Se combina las propiedades de un tiristor regenerativo de 4 capas y una estructura de compuerta MOS. Característica de control 1- Se entiende en el MCT de canal p con un voltaje negativo con respecto al ánodo, y se apaga con un voltaje positivo.
SITH (Static Induction Thyristor) Característica de control 1- Se enciende aplicando un voltaje positivo de encendido, y se apaga con un voltaje negativo de compuerta. Ventaja SITH
Ventajas MCT 1- La potencia en encendido y apagado es muy pequeña, el tiempo de retardo es pequeño y como tiristor de retención tiene baja caída de voltaje en estado encendido. Desventaja MCT 1- Tiene el potencial de ser un tiristor de apagado casi definitivo, pocas perdida en estado encendido.
1- Dispositivo de portadores minoritarios. 2- Baja resistencia o caída de voltaje en estado de encendido. Desventaja SITH 1- Controlado por campo requiere voltaje continuo en la compuerta. Frecuencia SITH Alta 100 KHz
Frecuencia MCT Intermedia de 5 KHz
Voltaje 2500 v Simbología
Curvas de los tipos de tiristores DIAC IGCT
SCR
TRIAC
MCT
Nota: MOSFET nn jjnmnm
Es un transistor utilizado para amplificar o conmutar se単ales