Un rectificador controlado por silicio o rectificador controlado por semiconductor 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 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 energía dirigidos por Gordon Hall [4] [5] [6] [7] y comercializado por Frank W. "Bill" Gutzwiller en 1957.
Algunas fuentes definen a los rectificadores controlados por silicio y a los tiristores como sinónimos [8] mientras que otras fuentes definen a los rectificadores controlados por 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 alternados . [9] [10] Según Bill Gutzwiller, los términos "SCR" y "rectificador controlado" eran 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 solo 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 solo mediante una corriente positiva que ingresa a la compuerta, a diferencia de los TRIAC, que pueden activarse normalmente mediante una corriente positiva o negativa aplicada a su electrodo de compuerta.
Hay tres modos de funcionamiento 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 compuerta a potencial cero (0), es decir, desconectada. En este caso, la unión J1 y J3 están polarizadas directamente , mientras que J2 está polarizada inversamente , 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. En 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 compuerta. Una vez que el SCR comienza a conducir, no se requiere más voltaje de compuerta para mantenerlo en el estado ON . La corriente mínima necesaria para mantener el SCR en el estado ON al eliminar el voltaje de compuerta se denomina 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, lo que hace que J1 y J3 estén polarizados inversamente y J2 polarizados directamente. 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 crítico de ruptura, llamado voltaje de ruptura inversa (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 se suma a la caída de voltaje directo debido a la necesidad de tener una región P1 larga y poco dopada. Por lo general, la clasificación de voltaje de bloqueo inverso y la clasificación de voltaje de bloqueo directo son las mismas. La aplicación típica para un SCR de bloqueo inverso es en inversores de fuente de corriente.
Un SCR incapaz de bloquear el voltaje inverso se conoce como SCR asimétrico , abreviado como ASCR . Por lo general, tiene un valor nominal 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 cuando nunca se produciría voltaje inverso (por ejemplo, en fuentes de alimentación conmutadas o choppers de tracción de CC).
Los SCR asimétricos se pueden fabricar con un diodo de conducción inversa en el mismo encapsulado. Se los conoce como RCT (por sus siglas en inglés, tiristores de conducción inversa ) .
La activación por voltaje directo ocurre cuando el voltaje directo del ánodo-cátodo aumenta con el circuito de compuerta abierto. Esto se conoce como ruptura por avalancha, durante la cual la unión J2 se romperá. Con voltajes suficientes, el tiristor cambia a su estado activado con una baja caída de voltaje y una gran corriente directa. En este caso, J1 y J3 ya están polarizados en directa .
Para que se produzca la activación de la compuerta, 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 producirse una activación por voltaje directo. A continuación, se puede aplicar un único pulso de voltaje positivo pequeño entre la compuerta y el cátodo. Esto proporciona un único pulso de corriente de compuerta que activa el tiristor. En la práctica, este es el método más común utilizado para activar un tiristor.
La activación por temperatura se produce cuando el ancho de la región de agotamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cuando el SCR está cerca del VPO, un aumento muy pequeño de la 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 compuerta 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 compuerta 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 cero hasta que se aplica otro pulso de corriente de compuerta y el SCR comienza a conducir nuevamente. [12]
Los SCR se utilizan principalmente en dispositivos en los que se requiere el control de alta potencia, posiblemente acoplada a alta tensión. Su funcionamiento los hace adecuados para su uso en aplicaciones de control de potencia de CA de media a alta tensión, como atenuación de lámparas , reguladores de potencia y control de motores.
Los SCR y dispositivos similares se utilizan para rectificar corriente alterna de alta potencia en transmisiones 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 utilizan como interruptores electrónicos en varios dispositivos. Las primeras máquinas de pinball de estado sólido los utilizaban para controlar luces, solenoides y otras funciones de forma electrónica, en lugar de mecánica, de ahí el nombre de estado sólido.
Otras aplicaciones incluyen circuitos de conmutación de potencia, rectificadores controlados, control de velocidad de motores shunt de CC, controladores SCR, circuitos lógicos de computadora, circuitos de temporización e inversores.
Un interruptor controlado por silicio (SCS) se comporta casi de la misma manera que un SCR, pero existen algunas diferencias. A diferencia de un SCR, un SCS se apaga cuando se aplica una corriente de entrada/voltaje positivo a otro cable de compuerta de ánodo. A diferencia de un SCR, un SCS puede activarse para conducir cuando se aplica una corriente de salida/voltaje negativo a ese mismo cable.
Los SCS son útiles en prácticamente todos los circuitos que necesitan 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.
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 lo tanto, los TRIAC son particularmente útiles para aplicaciones de CA. Los TRIAC tienen tres cables: un cable de compuerta y dos cables conductores, denominados MT1 y MT2. Si no se aplica corriente/voltaje al cable de compuerta, el TRIAC se apaga. Por otro lado, si se aplica el voltaje de activación al cable de compuerta, 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.