Un tiristor ( / θ aɪ ˈ r ɪ s t ər / ) es un dispositivo semiconductor de estado sólido con cuatro capas de materiales alternos de tipo P y N utilizados para aplicaciones de alta potencia. [1] : 12 Actúa como un interruptor biestable (o un pestillo). [1] : 12 Hay dos diseños, que se diferencian en lo que desencadena el estado de conducción. En un tiristor de tres conductores, una pequeña corriente en el conductor de su puerta 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 tiene polarización 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 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, desde atenuadores de luz y control de velocidad de motores eléctricos hasta dispositivos de alto voltaje. Transmisión de energía en corriente continua . Los tiristores se pueden utilizar en circuitos de conmutación de energía, circuitos de reemplazo de relés, circuitos inversores, circuitos osciladores, circuitos detectores de nivel, circuitos interruptores, circuitos de atenuación de luces, circuitos temporizadores de bajo costo, circuitos lógicos, circuitos de control de velocidad, circuitos de fase. circuitos de control, etc. Originalmente, los tiristores dependían únicamente 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 puerta de control. Este último se conoce como tiristor de apagado de puerta o tiristor GTO.
A diferencia de los transistores , los tiristores tienen una característica de conmutación de dos valores, lo que significa que un tiristor sólo puede estar completamente encendido o apagado, mientras que un transistor puede estar entre 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 energéticos de General Electric (GE), dirigidos por Gordon Hall y comercializado por Frank W. de GE. Bill" Gutzwiller. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos reconoció la invención colocando una placa en el sitio de la invención en Clyde, Nueva York , y declarándola un Hito Histórico del IEEE.
Un dispositivo de tubo lleno de gas anterior llamado tiratrón proporcionaba una capacidad de conmutación electrónica similar, donde un pequeño voltaje de control podía conmutar una corriente grande. De una combinación de "tiratrón" y " transistor " se deriva el término "tiristor". [1] : 12
En los últimos años, algunos fabricantes [3] han desarrollado tiristores utilizando carburo de silicio (SiC) como material semiconductor. Estos tienen aplicaciones en ambientes 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 capa consta de material alternativo de tipo N o tipo P , por ejemplo PNPN. Los terminales principales, etiquetados como ánodo y cátodo, se encuentran en las cuatro capas. El terminal de control, llamado puerta, está unido a un material tipo p cerca del cátodo. (Una variante llamada SCS (interruptor controlado por silicio) lleva las cuatro capas a los terminales). El funcionamiento de un tiristor puede entenderse en términos de un par de transistores de unión bipolar estrechamente acoplados , dispuestos para provocar una acción de autobloqueo.
Los tiristores tienen tres estados:
El tiristor tiene tres uniones pn (llamadas en serie J 1 , J 2 , J 3 desde el ánodo).
Cuando el ánodo tiene un potencial positivo V AK con respecto al cátodo sin aplicar voltaje en la puerta, las uniones J 1 y J 3 están polarizadas en directa, mientras que la unión J 2 está polarizada en inversa. Como J 2 tiene polarización inversa, no se produce ninguna conducción (estado apagado). Ahora bien, si V AK aumenta más allá del voltaje de ruptura V BO del tiristor, se produce una ruptura por avalancha de J 2 y el tiristor comienza a conducir (estado encendido).
Si se aplica un potencial positivo VG en el terminal de puerta con respecto al cátodo, la ruptura de la unión J2 se produce a un valor inferior de VAK . Seleccionando un valor apropiado de V G , el tiristor se puede cambiar rápidamente al estado encendido.
Una vez que se ha producido la ruptura por avalancha, el tiristor continúa conduciendo, independientemente del voltaje de la compuerta, hasta que: (a) se elimina el potencial VAK o (b) la corriente a través del dispositivo (ánodo-cátodo) es menor que la corriente de mantenimiento especificada . por el fabricante. Por lo tanto, V G puede ser un pulso de voltaje, como la salida de voltaje de un oscilador de relajación UJT .
Los pulsos de puerta se caracterizan en términos de voltaje de activación de puerta ( V GT ) y corriente de activación de puerta ( I GT ). La corriente de activación de la puerta varía inversamente con el ancho del pulso de la puerta de tal manera que es evidente que se requiere una carga de puerta mínima para activar el tiristor.
En un tiristor convencional, una vez que ha sido encendido por el terminal de puerta, el dispositivo permanece bloqueado en el estado encendido (es decir, no necesita un suministro continuo de corriente de puerta para permanecer en el estado encendido), siempre que la corriente del ánodo haya excedido la corriente de enclavamiento ( 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 retención siempre es mayor que la corriente de mantenimiento. En la figura anterior, IL tiene que estar por encima de I H en el eje y ya que IL > 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 cambiando un segundo tiristor para descargar un condensador en el ánodo del primer tiristor. Este método se llama conmutación forzada.
Una vez que la corriente a través del tiristor cae por debajo de la corriente de mantenimiento, debe haber un retraso antes de que el ánodo pueda polarizarse positivamente y retener el tiristor en 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 sea autoactivado 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 de CA doméstica (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz), se requieren tiristores con valores más bajos de t Q. 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 suelen fabricarse mediante 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 pequeños pasos, 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 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 pueden integrarse y enfriarse juntos fácilmente. Los tiristores de conducción inversa se utilizan a menudo en variadores e inversores de frecuencia .
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Los fototiristores se activan con la luz. La ventaja de los fototiristores es su insensibilidad a las señales eléctricas, lo que puede provocar un funcionamiento defectuoso en entornos eléctricamente ruidosos. Un tiristor activado por luz (LTT) tiene en su puerta una región ópticamente sensible, a la que se acopla la radiación electromagnética (normalmente infrarroja ) mediante una fibra óptica . Dado que no es necesario proporcionar placas electrónicas en el 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 incorporada contra sobretensión (VBO), que activa el tiristor cuando el voltaje directo a través de él se vuelve demasiado alto; También se han fabricado con protección de recuperación delantera incorporada , pero no comercialmente. A pesar de la simplificación que pueden aportar a la electrónica de una válvula HVDC, los tiristores activados por luz aún pueden requerir algunos componentes electrónicos de monitoreo simples y solo están disponibles en unos pocos fabricantes.
Dos fototiristores comunes incluyen 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 corta la energía y las polaridades del cátodo y el ánodo aún no se han invertido, el LASCR todavía está en el 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 disparo seguro que define niveles aceptables de voltaje y corriente para una temperatura de funcionamiento determinada . El límite de esta región está determinado en parte por el requisito de que no se exceda la potencia de compuerta máxima permitida (PG ) , especificada para una duración de impulso de disparo determinada. [5]
Además de los modos de falla habituales debidos a excesos de voltaje, corriente o potencia nominal, los tiristores tienen sus propios modos de falla particulares, que incluyen:
Los tiristores se utilizan principalmente cuando están involucradas corrientes y voltajes altos, y a menudo se usan 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 sincrónicamente ; siendo que, una vez que se activa el dispositivo, conduce corriente en fase con el voltaje aplicado sobre su unión cátodo a ánodo sin que se requiera más modulación de puerta, es decir, el dispositivo está polarizado completamente . Esto no debe confundirse con el funcionamiento asimétrico, ya que la salida es unidireccional y fluye sólo del cátodo al ánodo, por lo que es de naturaleza asimétrica.
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 una falla en la fuente de alimentación dañe los componentes posteriores. Se utiliza un tiristor junto con un diodo Zener conectado a su puerta, y si el voltaje de salida del suministro aumenta por encima del voltaje Zener, el tiristor conducirá y cortocircuitará la salida de la fuente de alimentación a tierra (en general, también disparará un disyuntor o fusible ). Este tipo de circuito de protección se conoce como palanca y tiene la ventaja sobre un disyuntor o fusible estándar porque crea una ruta de alta conductividad a tierra para evitar daños en el voltaje de suministro y potencialmente para la energía almacenada (en el sistema que se está alimentando).
La primera aplicación a gran escala de tiristores, con su activación diac asociada , en productos de consumo relacionados con fuentes de alimentación estabilizadas dentro de receptores de televisión en color a principios de la década de 1970. [ se necesita aclaración ] El suministro de CC de alto voltaje estabilizado para el receptor se obtuvo moviendo el punto de conmutación del dispositivo tiristor hacia arriba y hacia abajo por la pendiente descendente de la mitad positiva de la entrada de suministro de CA (si se usó la pendiente ascendente, el voltaje de salida siempre aumentaría hacia el voltaje de entrada máximo cuando se activara el dispositivo y, por lo tanto, frustraría el objetivo de la regulación). El punto de conmutación preciso fue determinado por la carga en el suministro de salida de CC, así como por las fluctuaciones de la entrada de CA.
Los tiristores se han utilizado durante décadas como atenuadores de luz en televisión , películas y teatro , donde reemplazaron tecnologías inferiores como los autotransformadores y reóstatos . También se han utilizado en fotografía como parte fundamental de los flashes (luces estroboscópicas).
Los tiristores pueden activarse mediante una alta tasa de aumento de voltaje fuera de estado. Al aumentar el voltaje fuera de estado 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 del voltaje fuera del estado o clasificación dV/dt de un tiristor es un parámetro importante ya que indica la tasa máxima de aumento del voltaje del ánodo que no hace que el tiristor entre en conducción cuando no se aplica ninguna señal de compuerta. Cuando el flujo de cargas debido a la tasa de aumento del voltaje fuera de estado a través del ánodo y el cátodo del tiristor se vuelve igual al flujo de cargas inyectadas cuando la compuerta está energizada, se produce una activación aleatoria y falsa del tiristor, lo cual no es deseado. . [6]
Esto se evita conectando un circuito amortiguador de resistencia - condensador (RC) entre el ánodo y el cátodo para limitar el 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 energía 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 conjunto se convierte en uno de múltiples módulos idénticos que forman una capa en una pila de válvulas multicapa llamada válvula cuádruple . Por lo general, tres de estas pilas se montan en el piso o se cuelgan 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, sólo conduce en una dirección, por lo que no se puede utilizar de forma segura con corriente alterna . Un dispositivo similar de cinco capas con cierre automático, llamado TRIAC , puede funcionar en ambas direcciones. Sin embargo, esta capacidad adicional también puede convertirse en un déficit. 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 energía de CA. Debido a esto, el uso de TRIAC con (por ejemplo) cargas de motor fuertemente inductivas generalmente requiere el uso de un circuito " amortiguador " alrededor del TRIAC para asegurar que se apagará con cada medio ciclo de alimentación de red. También se pueden utilizar SCR paralelos inversos en lugar del triac; Debido a que a cada SCR del par se le aplica un medio ciclo completo de polaridad inversa, los SCR, a diferencia de los TRIAC, seguramente se apagarán. Sin embargo, el "precio" a pagar por esta disposición es la complejidad añadida de dos circuitos de activación separados, pero esencialmente idénticos.
Aunque los tiristores se utilizan mucho en la rectificación de CA a CC a escala de megavatios, en aplicaciones de potencia baja y media (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 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 solucionan 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 (sólo los portadores mayoritarios transportan la corriente).
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