Un rectificador controlado por silicio o un rectificador controlado por semiconductores es un dispositivo de control de corriente de estado sólido de cuatro capas . El nombre "rectificador controlado por silicio" es el nombre 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 Laboratories en 1956. [1] La demostración práctica de la conmutación controlada por silicio y el comportamiento teórico detallado de un dispositivo de acuerdo con los resultados experimentales fue presentado por el Dr. Ian M. Mackintosh de Bell Laboratories en enero de 1958. [2] [3] El SCR fue desarrollado por un equipo de ingenieros energéticos dirigido por Gordon Hall [4] [5] [6] [7 ] y comercializado por Frank W. "Bill" Gutzwiller en 1957.
Algunas fuentes definen los rectificadores controlados por silicio y los tiristores como sinónimos [8], mientras que otras fuentes definen los rectificadores controlados por silicio como un subconjunto adecuado del conjunto de tiristores; siendo estos últimos dispositivos con al menos cuatro capas de material alternado de tipo n y p . [9] [10] Según Bill Gutzwiller, los términos "SCR" y "rectificador controlado" fueron anteriores, y "tiristor" se aplicó más tarde, a medida que el uso del dispositivo se extendió internacionalmente. [11]
Los SCR son dispositivos unidireccionales (es decir, pueden conducir corriente sólo 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 pueden activarse normalmente sólo mediante una corriente positiva que ingresa a la puerta, a diferencia de los TRIAC, que pueden activarse normalmente mediante una corriente positiva o negativa aplicada a su electrodo de puerta.
Hay tres modos de operación para un SCR dependiendo de la polarización que se le dé:
En este modo de operación, el ánodo (lado +, dopado p) recibe un voltaje positivo mientras que el cátodo (lado -, dopado n) recibe un voltaje negativo, manteniendo la puerta a potencial cero (0), es decir, desconectada. En este caso, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa , mientras que J2 tiene polarización inversa , lo que permite sólo una pequeña corriente de fuga desde el 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 del voltaje de ruptura, J2 ofrece una resistencia muy alta a la corriente y se dice que el SCR está en estado apagado.
Un SCR puede pasar del modo de bloqueo al modo de conducción de dos maneras: aumentando el voltaje entre el ánodo y el cátodo más allá del voltaje de ruptura o aplicando un pulso positivo en la puerta. Una vez que el SCR comienza a conducir, no se requiere más voltaje de puerta para mantenerlo en estado ON . La corriente mínima necesaria para mantener el SCR en el estado ON al eliminar el voltaje de la puerta se llama corriente de enclavamiento.
Hay dos formas de desactivarlo :
Cuando se aplica un voltaje negativo al ánodo y un voltaje positivo al cátodo, el SCR está en modo de bloqueo inverso, haciendo que J1 y J3 tengan polarización inversa y J2 con polarización directa. El dispositivo se comporta como dos diodos conectados en serie. Fluye una pequeña corriente de fuga. Este es el modo de bloqueo inverso. Si se aumenta el voltaje inverso, entonces en el nivel de ruptura crítico, llamado voltaje de ruptura inverso (VBR ) , se produce una avalancha en J1 y J3 y la corriente inversa aumenta rápidamente. Los SCR están disponibles con capacidad de bloqueo inverso, lo que aumenta la caída de tensión directa debido a la necesidad de tener una región P1 larga y poco dopada. Por lo general, la tensión nominal de bloqueo inverso y la tensión nominal de bloqueo directo son las mismas. La aplicación típica de un SCR de bloqueo inverso es en inversores de fuente de corriente.
Un SCR incapaz de bloquear la tensión inversa se conoce como SCR asimétrico , abreviado ASCR . Por lo general, tiene una clasificación de ruptura inversa 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 voltaje) o donde nunca se produciría voltaje inverso (por ejemplo, en fuentes de alimentación conmutadas o helicópteros de tracción de CC).
Los SCR asimétricos se pueden fabricar con un diodo de conducción inversa en el mismo paquete. Estos se conocen como RCT, por sus siglas en inglés, por tiristores de conducción inversa .
La activación del voltaje directo ocurre cuando el voltaje directo ánodo-cátodo aumenta con el circuito de compuerta abierto. Esto se conoce como avería por avalancha, durante la cual se averiará el cruce J2. Con voltajes suficientes, el tiristor cambia a su estado encendido con una caída de voltaje baja y una corriente directa grande. En este caso, J1 y J3 ya están polarizados hacia adelante .
Para que se produzca la activación de la puerta, el tiristor debe estar en el estado de bloqueo directo donde el voltaje aplicado es menor que el voltaje de ruptura; de lo contrario, puede ocurrir una activación por tensión directa. Luego se puede aplicar un pequeño impulso de voltaje positivo entre la puerta y el cátodo. Esto suministra un pulso de corriente de puerta única que activa el tiristor. En la práctica, este es el método más común utilizado para activar un tiristor.
El disparo por temperatura ocurre cuando el ancho de la región de agotamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cuando el SCR está cerca de VPO, un aumento muy pequeño de temperatura hace que se elimine la unión J2, lo que activa el dispositivo.
Se puede ilustrar un circuito SCR simple utilizando una fuente de voltaje de CA conectada a un SCR con una carga resistiva. Sin un pulso de corriente aplicado a la puerta del SCR, el SCR queda en su estado de bloqueo directo. Esto hace que el inicio de la conducción del SCR sea controlable. El ángulo de retardo α, que es el instante en que se aplica el pulso de corriente de la puerta con respecto al instante de conducción natural (ωt = 0), controla el inicio de la conducción. Una vez que el SCR conduce, el SCR no se apaga hasta que la corriente a través del SCR, i s , se vuelve negativa. i s permanece en cero hasta que se aplica otro pulso de corriente de puerta y el SCR comienza a conducir nuevamente. [12]
Los SCR se utilizan principalmente en dispositivos donde se exige el control de alta potencia, posiblemente junto con alto voltaje. Su funcionamiento los hace adecuados para su uso en aplicaciones de control de energía CA de voltaje medio a alto, como atenuación de lámparas , reguladores de potencia y control de motores.
Los SCR y dispositivos similares se utilizan para la rectificación de CA de alta potencia en la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje . También se utilizan en el control de máquinas de soldar, principalmente soldadura por arco de tungsteno con gas y procesos similares. Se utiliza como interruptor electrónico en varios dispositivos. Las primeras máquinas de pinball de estado sólido los utilizaban para controlar luces, solenoides y otras funciones electrónicamente, en lugar de mecánicamente, de ahí el nombre de estado sólido.
Otras aplicaciones incluyen circuitos de conmutación de energía, rectificadores controlados, control de velocidad de motores de derivación de CC, palancas SCR, circuitos lógicos de computadora, circuitos de sincronización e inversores.
Un interruptor controlado por silicio (SCS) se comporta casi de la misma manera que un SCR; pero hay algunas diferencias. A diferencia de un SCR, un SCS se apaga cuando se aplica un voltaje/corriente de entrada positiva a otro cable de puerta del ánodo. A diferencia de un SCR, un SCS puede activarse para conducir cuando se aplica un voltaje negativo/corriente de salida a ese mismo cable.
Los SCS son útiles en prácticamente todos los circuitos que necesitan un interruptor que se encienda/apague mediante dos pulsos de control distintos. Esto incluye circuitos de conmutación de energía, circuitos lógicos, controladores de lámparas y contadores.
Un TRIAC se parece a un SCR en que ambos actúan como interruptores controlados eléctricamente. A diferencia de un SCR, un TRIAC puede pasar corriente en cualquier dirección. Por tanto, los TRIAC son particularmente útiles para aplicaciones de CA. Los TRIAC tienen tres cables: un cable de puerta y dos cables conductores, denominados MT1 y MT2. Si no se aplica corriente/voltaje al cable de la puerta, el TRIAC se apaga. Por otro lado, si se aplica el voltaje del disparador al cable de la puerta, el TRIAC se enciende.
Los TRIAC son adecuados para circuitos de atenuación de luz, circuitos de control de fase, circuitos de conmutación de energía de CA, circuitos de control de motores de CA, etc.