Características estáticas y dinámicas del Tiristor y sus variantes (DIAC, TRIAC, SCR)

Nelson Vivas

Electrónica II

Politécnico Santiago Mariño

7mo Semestre

Ingeniería Eléctrica

Profesora: Ing. Ranielina Rondón.

Características estáticas y dinámicas del Tiristor y sus variantes (DIAC, TRIAC, SCR)

Existen gran variedad de tiristores, pero todos ellos tienen ciertas propiedades en común: son dispositivos de estado sólido que se disparan bajo ciertas condiciones pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja, estado que mantiene mientras que la corriente y la tensión sean superiores a un valor mínimo denominado niveles de mantenimiento.

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Características estáticas:

Estudian el comportamiento del tiristor entre A (ánodo) y K (cátodo), con la G (puerta) abierta. Son valores máximos que nunca deben ser superados en el funcionamiento del tiristor.

VRWN --> Tensión inversa de Trabajo máximo
VFDM --> Tensión directa de Trabajo máximo
VFT --> Caída de tensión directa de cebado
IFAV, Ief --> Corriente media y corriente eficaz
IFD --> corriente directa de fugas (en corte)
IR --> Corriente inversa de fugas
TF --> Temperatura de funcionamiento
IH --> Corriente de mantenimiento

Características de control:

Estudian el comportamiento del tiristor entre G y K, y determinan el circuito de disparo.
VGFS --> Tensión directa de puerta máxima (accidental)
VGRS --> Tensión inversa de puerta máxima (accidental)
IGFS --> Corriente de puerta directa máxima (accidental)
VGT --> Tensión mínima para el cebado
IGT --> Corriente mínima para el cebado
VGNTM --> Tensión residual máxima que no ceba el tiristor
IGNTM --> Corriente residual máxima que no ceba el tiristor
PGAV --> Potencia media disipada
PGFS --> Potencia máxima (accidental)
Aparte el fabricante da una gráfica llamada característica de control, que consta de:
1- Curva de dispersión
2- Parábola máxima de disipación
3- Zona de funcionamiento mínimo

Características dinámicas:

Estudian el comportamiento del tiristor en régimen transitorio.

Comportamiento del tiristor frente a sobre tensiones: Podemos sobrepasar durante un tiempo menos de 10 ms, la tensión VRWM sin peligro de dañar al tiristor. Por ejemplo:

El tiristor (BT W 30 / 800RS) donde "B" significa silicio "T" tiristor y 800 es la tensión máxima, el cual también puede ser 1000 y 1200.

Comportamiento del tiristor frente a sobre corrientes: Podemos sobrepasar durante un tiempo menor de 10 ms, la corriente IFAV o Ief sin peligro a dañar el tiristor. Por ejemplo:

El tiristor (BT W 30 / 800RS) puede aguantar hasta IT (AV)=16 A, IT (RMS)=24A.

• Tensiones transitorias: 

− Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación. 

− Son breves y de gran amplitud. 

− La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores. 

• Impulsos de corriente: 

− Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada. 

− A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos. − El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la Tra media de la unión. 

• Ángulos de conducción:  

− La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción. 

− A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia. 

− Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción: 

Angulo de conducción  = 180º− Angulo de disparo

− Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias. 

Los dispositivos más conocidos de la familia de los tiristores para aplicaciones de potencia son:

• SRC (Silicon Controled Rectifiers)
• TRIACS
• GTO (Gate Turn Off)

Tipos de tiristores.

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías:

·          

• Tiristores de control de fase (SCR).
• Tiristores de conmutación rápida (SCR).
• Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
• Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
• Tiristores de conducción inversa (RTC).
• Tiristores de inducción estática (SITH).
• Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)
• Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
• Tiristores controlados por MOS (MCT)

Diac

El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto. El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. 

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.Tiene dos terminales: MT1 y MT2. La curva característica del DIAC se muestra a continuación.

En la curva característica se observa que cuando:

• +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto
• +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito

Circuito equivalente de un DIAC:

El circuito equivalente de un DIAC consiste en cuatro transistores dispuestos como se ilustra en la figura 2.3 (a). Cuando el DIAC está polarizado como en la parte (b), la estructura pnpn desde A₁ a A₂, proporciona la operación del dispositivo con cuatro capas. En el circuito equivalente, Q₁ y Q₂ están polarizados en directa y los Q₃ y Q₄ en inversa. El dispositivo opera en la porción derecha superior de la curva característica de la figura 2.2, bajo esta condición de polarización. Cuando el DIAC está polarizado como se muestra en la figura 2.3 (c), la estructura pnpn, desde A₂ a A₁, es la que se usa. En el circuito equivalente, los Q₃ y Q₄están polarizados en directa y los Q₁ y Q₂ en inversa. El dispositivo opera en la porción izquierda inferior de la curva característica, como se muestra en la figura.

Características generales:

• Tensión de disparo
• Corriente de disparo
• Tensión de simetría
• Tensión de recuperación
• Disipación de potencia (Los DIAC se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)
• Es otro dispositivo tiristor y se usa normalmente para disparar a un TRIAC.
• Se comporta como dos Diodos Zener conectados en paralelo pero orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.
• Normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga, la conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.

Triac

El TRIAC (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa

Características generales:

• Interruptor casi ideal.
• Soporta tensiones altas.
• Amplificador eficaz.
• Es capaz de controlar grandes potencias.
• Fácil controlabilidad.
• Relativa rapidez.
• Características en función de situaciones pasadas (memoria).
• El hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.
• Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes.
• La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.
• El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores.

• El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conducción cuando se inyecta corriente a la compuerta. Después del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retención I_h
• La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de bloqueo.
• La aplicación de los TRIACS, a diferencia de los Tiristores, se encuentra  básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad
• La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.

(SCR)

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Circuito equivalente:

Al aplicarse una corriente IG a la terminal de compuerta (GATE), se producen las corrientes IC2=IB1.Como IB1 es la corriente de base del transistor Q1 y esta corriente causa que exista otra corriente de colector de Q1(IC1)La corriente IC1 va a encender a Q2 por la base inyectándole una corriente que a su vez enciende IC2, que es lo mismo que la base de IB1, este proceso se repite hasta saturar Q1 yQ2 causando el encendido del SCR.

Características generales:

• Interruptor casi ideal.
• Soporta tensiones altas.
• Amplificador eficaz.
• Es capaz de controlar grandes potencias.
• Fácil controlabilidad.
• Relativa rapidez.
• Características en función de situaciones pasadas (memoria).