Un tiristor ( / θ aɪ ˈ r ɪ s t ər / ) es un dispositivo semiconductor de estado sólido que puede considerarse como un diodo muy robusto y conmutable , que permite el paso de corriente en una dirección pero no en la otra, a menudo bajo el control de un electrodo de compuerta, que se utiliza en aplicaciones de alta potencia como inversores y generadores de radar. Por lo general, consta de cuatro capas de materiales de tipo P y N alternos. [1] : 12 Actúa como un interruptor biestable (o un pestillo). [1] : 12 Hay dos diseños, que se diferencian en lo que desencadena el estado conductor. En un tiristor de tres conductores, una pequeña corriente en su conductor de compuerta controla la corriente más grande del camino del ánodo al cátodo. En un tiristor de dos conductores, la conducción comienza cuando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es suficientemente grande (voltaje de ruptura). El tiristor continúa conduciendo hasta que el voltaje a través del dispositivo se polariza en forma inversa o se elimina el voltaje (por algún otro medio), [1] : 12 o a través de la señal de la puerta de control en los tipos más nuevos.
Algunas fuentes definen " rectificador controlado por silicio " (SCR) y "tiristor" como sinónimos. [2] Otras fuentes definen a los tiristores como dispositivos más complejos que incorporan al menos cuatro capas de sustrato alternado de tipo N y tipo P.
Los primeros dispositivos de tiristores se lanzaron comercialmente en 1956. Debido a que los tiristores pueden controlar una cantidad relativamente grande de potencia y voltaje con un dispositivo pequeño, encuentran una amplia aplicación en el control de la energía eléctrica, que va desde reguladores de luz y control de velocidad de motores eléctricos hasta transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje . Los tiristores pueden usarse en circuitos de conmutación de potencia, circuitos de reemplazo de relés, circuitos inversores, circuitos osciladores, circuitos detectores de nivel, circuitos chopper, circuitos de atenuación de luz, circuitos temporizadores de bajo costo, circuitos lógicos, circuitos de control de velocidad, circuitos de control de fase, etc. Originalmente, los tiristores dependían solo de la inversión de corriente para apagarlos, lo que dificultaba su aplicación para corriente continua; los tipos de dispositivos más nuevos se pueden encender y apagar a través de la señal de la compuerta de control. Este último se conoce como tiristor de apagado de compuerta o tiristor GTO.
A diferencia de los transistores , los tiristores tienen una característica de conmutación de dos valores, lo que significa que un tiristor solo puede estar completamente encendido o apagado, mientras que un transistor puede estar entre los estados encendido y apagado. Esto hace que un tiristor no sea adecuado como amplificador analógico, pero sí útil como interruptor.
El rectificador controlado por silicio (SCR) o tiristor propuesto por William Shockley en 1950 y defendido por Moll y otros en Bell Labs fue desarrollado en 1956 por ingenieros de energía de General Electric (GE), liderados por Gordon Hall y comercializado por Frank W. "Bill" Gutzwiller de GE. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos reconoció la invención colocando una placa en el lugar de la invención en Clyde, Nueva York , y declarándola un hito histórico del IEEE.
Un dispositivo anterior de tubo lleno de gas llamado tiratrón proporcionaba una capacidad de conmutación electrónica similar, en la que un pequeño voltaje de control podía conmutar una gran corriente. El término tiristor se deriva de una combinación de "tiratrón" y " transistor ". [1] : 12
En los últimos años, algunos fabricantes [3] han desarrollado tiristores que utilizan carburo de silicio (SiC) como material semiconductor. Estos tienen aplicaciones en entornos de alta temperatura, siendo capaces de operar a temperaturas de hasta 350 °C.
El tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas y tres terminales, cada una de las cuales está formada por material de tipo N o de tipo P , por ejemplo, PNPN. Los terminales principales, denominados ánodo y cátodo, se encuentran en las cuatro capas. El terminal de control, denominado compuerta, está unido a un material de tipo p cerca del cátodo. (Una variante denominada SCS (interruptor controlado por silicio) lleva las cuatro capas a los terminales). El funcionamiento de un tiristor se puede entender en términos de un par de transistores de unión bipolar acoplados estrechamente , dispuestos para provocar una acción de autoenclavamiento.
Los tiristores tienen tres estados:
El tiristor tiene tres uniones pn (denominadas en serie J 1 , J 2 , J 3 desde el ánodo).
Cuando el ánodo está a un potencial positivo V AK con respecto al cátodo sin voltaje aplicado en la compuerta, las uniones J 1 y J 3 están polarizadas en directa, mientras que la unión J 2 está polarizada en inversa. Como J 2 está polarizada en inversa, no se produce conducción (estado de apagado). Ahora bien, si V AK se incrementa más allá del voltaje de ruptura V BO del tiristor, se produce la ruptura por avalancha de J 2 y el tiristor comienza a conducir (estado de encendido).
Si se aplica un potencial positivo V G en el terminal de la compuerta con respecto al cátodo, la ruptura de la unión J 2 se produce con un valor inferior de V AK . Al seleccionar un valor adecuado de V G , el tiristor puede conmutarse al estado activado rápidamente.
Una vez que se ha producido la ruptura por avalancha, el tiristor continúa conduciendo, independientemente del voltaje de compuerta, hasta que: (a) se elimina el potencial V AK o (b) 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 voltaje, como el voltaje de salida de un oscilador de relajación UJT .
Los pulsos de compuerta se caracterizan en términos de voltaje de activación de compuerta ( V GT ) y corriente de activación de compuerta ( I GT ). La corriente de activación de compuerta varía inversamente con el ancho del pulso de compuerta, de tal manera que es evidente que se requiere una carga de compuerta mínima para activar el tiristor.
En un tiristor convencional, una vez que se ha encendido mediante el terminal de compuerta, el dispositivo permanece bloqueado en el estado encendido (es decir, no necesita un suministro continuo de corriente de compuerta para permanecer en el estado encendido), siempre que la corriente del ánodo haya excedido la corriente de bloqueo ( 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 trabajo, la corriente de bloqueo es siempre mayor que la corriente de mantenimiento. En la figura anterior, I L tiene que estar por encima de I H en el eje y, ya que I L > I H .
Un tiristor se puede apagar si el circuito externo hace que el ánodo se polarice negativamente (un método conocido como conmutación natural o de línea). En algunas aplicaciones, esto se hace conmutando un segundo tiristor para descargar un condensador en el ánodo del primer tiristor. Este método se denomina conmutación forzada.
Una vez que la corriente a través del tiristor cae por debajo de la corriente de retención, debe haber un retraso antes de que el ánodo pueda polarizarse positivamente y retener el tiristor en el estado apagado. Este retraso mínimo se denomina tiempo de apagado conmutado del circuito ( t Q ). Intentar polarizar positivamente el ánodo dentro de este tiempo hace que el tiristor se active automáticamente por los portadores de carga restantes ( huecos y electrones ) que aún no se han recombinado .
Para aplicaciones con frecuencias superiores a las de la red eléctrica doméstica (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz), se requieren tiristores con valores de t Q más bajos . Estos tiristores rápidos se pueden fabricar difundiendo iones de metales pesados , como oro o platino , que actúan como centros de combinación de carga en el silicio. Hoy en día, los tiristores rápidos se fabrican más habitualmente mediante la irradiación de electrones o protones del silicio, o mediante implantación de iones . La irradiación es más versátil que el dopaje con metales pesados porque permite ajustar la dosis en pasos finos, incluso en una etapa bastante avanzada del procesamiento del silicio.
Un tiristor de conducción inversa (RCT) tiene un diodo inverso integrado , por lo que no es capaz de realizar un bloqueo inverso. Estos dispositivos son ventajosos cuando se debe utilizar un diodo inverso o de rueda libre. Debido a que el SCR y el diodo nunca conducen al mismo tiempo, no producen calor simultáneamente y se pueden integrar y enfriar juntos fácilmente. Los tiristores de conducción inversa se utilizan a menudo en variadores de frecuencia e inversores .
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Los fototiristores se activan con la luz. La ventaja de los fototiristores es su insensibilidad a las señales eléctricas, que pueden provocar un funcionamiento defectuoso en entornos con ruido eléctrico. Un tiristor activado por luz (LTT) tiene una región ópticamente sensible en su compuerta, en la que la radiación electromagnética (normalmente infrarroja ) se acopla mediante una fibra óptica . Dado que no es necesario proporcionar placas electrónicas al potencial del tiristor para activarlo, los tiristores activados por luz pueden ser una ventaja en aplicaciones de alto voltaje como HVDC . Los tiristores activados por luz están disponibles con protección de sobretensión (VBO) incorporada, que activa el tiristor cuando el voltaje directo a través de él se vuelve demasiado alto; también se han fabricado con protección de recuperación directa incorporada , pero no comercialmente. A pesar de la simplificación que pueden aportar a la electrónica de una válvula HVDC, los tiristores activados por luz pueden requerir todavía una electrónica de monitorización sencilla y solo están disponibles de unos pocos fabricantes.
Dos fototiristores comunes son el SCR activado por luz (LASCR) y el TRIAC activado por luz . Un LASCR actúa como un interruptor que se enciende cuando se expone a la luz. Después de la exposición a la luz, cuando no hay luz, si no se quita la energía y las polaridades del cátodo y el ánodo aún no se han invertido, el LASCR sigue en estado "encendido". Un TRIAC activado por luz se parece a un LASCR, excepto que está diseñado para corrientes alternas.
Los fabricantes de tiristores generalmente especifican una región de activación segura que define niveles aceptables de voltaje y corriente para una temperatura de operación dada . El límite de esta región está determinado en parte por el requisito de que no se exceda la potencia de compuerta máxima permisible (P G ), especificada para una duración de pulso de activación dada. [5]
Además de los modos de falla habituales debidos al exceso de voltaje, corriente o potencia nominal, los tiristores tienen sus propios modos de falla particulares, que incluyen:
Los tiristores se utilizan principalmente cuando hay corrientes y voltajes elevados, y se utilizan a menudo para controlar corrientes alternas , donde el cambio de polaridad de la corriente hace que el dispositivo se apague automáticamente, lo que se conoce como operación de " cruce por cero ". Se puede decir que el dispositivo funciona de forma sincrónica ; es decir, una vez que se activa el dispositivo, conduce la corriente en fase con el voltaje aplicado sobre su unión de cátodo a ánodo sin que se requiera ninguna modulación de compuerta adicional, es decir, el dispositivo está polarizado completamente . Esto no debe confundirse con el funcionamiento asimétrico, ya que la salida es unidireccional, fluye solo del cátodo al ánodo y, por lo tanto, es asimétrica por naturaleza.
Los tiristores se pueden utilizar como elementos de control para controladores activados por ángulo de fase, también conocidos como controladores activados por fase .
También se pueden encontrar en fuentes de alimentación para circuitos digitales , donde se utilizan como una especie de " disyuntor mejorado " para evitar que un fallo en la fuente de alimentación dañe los componentes posteriores. Un tiristor se utiliza junto con un diodo Zener conectado a su compuerta, y si el voltaje de salida de la fuente aumenta por encima del voltaje Zener, el tiristor conducirá y cortocircuitará la salida de la fuente de alimentación a tierra (en general, también activando un disyuntor o fusible aguas arriba ). Este tipo de circuito de protección se conoce como palanca y tiene la ventaja sobre un disyuntor o fusible estándar de que crea una ruta de alta conductancia a tierra para evitar que el voltaje de suministro dañe y potencialmente para la energía almacenada (en el sistema que se alimenta).
La primera aplicación a gran escala de tiristores, con diac de activación asociado , en productos de consumo relacionados con fuentes de alimentación estabilizadas dentro de receptores de televisión en color a principios de la década de 1970. [ aclaración necesaria ] La fuente de alimentación de CC de alto voltaje estabilizada para el receptor se obtuvo moviendo el punto de conmutación del dispositivo de tiristor hacia arriba y hacia abajo de la pendiente descendente de la mitad positiva de la entrada de alimentación de CA (si se usaba la pendiente ascendente, la tensión de salida siempre aumentaría hacia la tensión de entrada pico cuando se activara el dispositivo y, por lo tanto, se anularía el objetivo de la regulación). El punto de conmutación preciso estaba determinado por la carga en la fuente de alimentación de salida de CC, así como por las fluctuaciones de entrada de CA.
Los tiristores se han utilizado durante décadas como atenuadores de luz en televisión , cine y teatro , donde reemplazaron tecnologías inferiores como los autotransformadores y los reóstatos . También se han utilizado en fotografía como parte fundamental de los flashes (estrobos).
Los tiristores pueden activarse mediante una alta tasa de aumento de voltaje en estado de inactividad. Al aumentar el voltaje en estado de inactividad a través del ánodo y el cátodo del tiristor, habrá un flujo de cargas similar a la corriente de carga de un capacitor. La tasa máxima de aumento de voltaje en estado de inactividad o la clasificación dV/dt de un tiristor es un parámetro importante ya que indica la tasa máxima de aumento de voltaje en el ánodo que no pone al tiristor en conducción cuando no se aplica una señal de compuerta. Cuando el flujo de cargas debido a la tasa de aumento de voltaje en estado de inactividad a través del ánodo y el cátodo del tiristor se vuelve igual al flujo de cargas que se inyectan cuando se energiza la compuerta, entonces conduce a una activación aleatoria y falsa del tiristor, lo cual es indeseable. [6]
Esto se evita conectando un circuito amortiguador de resistencia - condensador (RC) entre el ánodo y el cátodo para limitar la dV/dt (es decir, la tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo). Los amortiguadores son circuitos de absorción de energía que se utilizan para suprimir los picos de voltaje causados por la inductancia del circuito cuando se abre un interruptor, eléctrico o mecánico. El circuito amortiguador más común es un condensador y una resistencia conectados en serie a través del interruptor (transistor).
Dado que los tiristores modernos pueden conmutar la potencia en la escala de megavatios , las válvulas de tiristores se han convertido en el corazón de la conversión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) hacia o desde corriente alterna. En el ámbito de esta y otras aplicaciones de muy alta potencia, [1] : 12 tanto los tiristores activados eléctricamente (ETT) como los activados por luz (LTT) [7] [8] siguen siendo la opción principal. Los tiristores están dispuestos 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 todo el arreglo se convierte en uno de los múltiples módulos idénticos que forman una capa en una pila de válvulas multicapa llamada válvula cuádruple . Tres de estas pilas suelen montarse en el suelo o colgarse del techo de la sala de válvulas de una instalación de transmisión de larga distancia. [9] [10]
El inconveniente funcional de un tiristor es que, al igual que un diodo, solo conduce en una dirección, por lo que no se puede utilizar de forma segura con corriente alterna . Un dispositivo similar de 5 capas con enclavamiento automático, llamado TRIAC , puede funcionar en ambas direcciones. Sin embargo, esta capacidad adicional también puede convertirse en un inconveniente. Debido a que el TRIAC puede conducir en ambas direcciones, las cargas reactivas pueden hacer que no se apague durante los instantes de voltaje cero del ciclo de alimentación de CA. Debido a esto, el uso de TRIAC con (por ejemplo) cargas de motor altamente inductivas generalmente requiere el uso de un circuito " amortiguador " alrededor del TRIAC para asegurar que se apague con cada medio ciclo de alimentación de red. También se pueden utilizar SCR en paralelo inverso en lugar del triac; debido a que cada SCR del par tiene un medio ciclo completo de polaridad inversa aplicado a él, los SCR, a diferencia de los TRIAC, seguramente se apagarán. Sin embargo, el "precio" que hay que pagar por este arreglo es la complejidad añadida de dos circuitos de compuerta separados, pero esencialmente idénticos.
Aunque los tiristores se utilizan ampliamente en la rectificación a escala de megavatios de CA a CC, en aplicaciones de baja y media potencia (desde unas pocas decenas de vatios hasta unas pocas decenas de kilovatios) prácticamente han sido 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 son malos candidatos debido a los largos tiempos de conmutación que surgen 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).
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