UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
CUCEI

INTRODUCCION:

     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.
 

CARACTERISTICAS DE LOS TIRISTORES:

     Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.
Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.

Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn
 
 

La caída de voltaje se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1V. En el estado activo, la corriente del ánodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como se muestra en la fig. 2.
La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. En la fig. 2b aparece una gráfica característica v-i común de un tiristor.

 
Fig.2 Circuito Tiristor y característica v-i

Una vez que el tiristor es activado , se comporta como un diodo en conducción  y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2  no  existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios  y es menor que la corriente de enganche, IL.  Esto significa que IL>IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto  al  del ánodo, la  unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR, fluirá a través del dispositivo.
 
 

MODELO DE TIRISTOR DE DOS TRANSITORES.

La acción regenerativa o de enganche de vida a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2, tal y como se demuestra en la figura 3.

La corriente del colector IC de un tiristor se relaciona, en general, con la corriente del emisor IE y la corriente de fuga de la unión colector-base ICBO, como

Ic =    IE + ICBO……………………..(1)

La ganancia de corriente de base común se define como   =IC/IE. Para el transistor Q1 la corriente del emisor es la corriente del ánodo IA, y la corriente del colector IC1 se puede determinar  a partir de la ecuación (1):

IC1 =    1 IA +  ICBO1………………………(2)
 
 

 
 

             a)  Estructura básica                        b) Circuito equivalente
 
Fig. 3 Modelo de tiristor de dos terminales.
 

Donde alfa1 es la ganancia de corriente y ICBO1 es la corriente de fuga para Q1.  En forma similar para el transistor Q2, la corriente del colector IC2 es:

IC2 =    2IK + ICBO2…………………………(3)

Donde    2 es la ganancia de corriente y ICBO2  es la corriente de fuga correspondiente a Q2. Al  combinar IC1 e IC2, obtenemos:

IA = IC1 + IC2 =     1IA + ICBO1 +     2IK + ICBO2……………………….(4)

Pero para una corriente d compuerta igual AIG, IK=IA+IG resolviendo la ecuación anterior en función de IA obtenemos:

IA =      2 IG + ICBO1 + ICBO2………………………….(5)
                                                  1 - (   1 +     2)

ACTIVACION DEL TIRISTOR

Un tiristor se activa incrementándola corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo  mediante una de las siguientes formas.

TERMICA.   Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que      1 y     2  aumenten. Debido a la acción regenerativa (   1+   2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.

LUZ.   Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el  tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.

ALTO VOLTAJE.  Si el voltaje directo ánodo  a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.

dv/dt.     Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.

CORRIENTE DE COMPUERTA.     Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, tal y como aparece en la fig.4
 

Fig.4 Efectos de la corriente de compuerta sobre el voltaje de bloqueo directo.
 
 
 

TIPOS DE TIRISTORES.

 Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

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

1. Tiristores de control de fase (SCR).
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR).
3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
5. Tiristores de conducción inversa (RTC).
6. Tiristores de inducción estática (SITH).
7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)
8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
9.  Tiristores controlados por MOS (MCT)
 

En esta practica fue necesario además de utilizar tiristores, la utilización de un tipo especial de estos como lo es un UJT además de un PUT por lo que se definen ambos a continuación:
 
 
 
 

TRANSISTOR MONOUNION (UJT).

 El transistor monounión (UJT) se utiliza generalmente para generar señales de disparo en los SCR. En la fig.5 se muestra un circuito básico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidas como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounión tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentación Vs en cd, se carga el capacitor C a través de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo que el voltaje del capacitor llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a través de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.
El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación Vs y está dado por:

T = 1/f = RC ln 1/1-n
 

 
Fig.5 Circuito básico de disparo de un UJT
 
 

TRANSISTOR MONOUNION PROGRAMABLE.

 El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño tiristor que aparece en la fig.7. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajación, tal y como se muestra en la fig.7b. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de punto de pico Vp. En el caso del UJT, Vp está fijo para un dispositivo por el voltaje de alimentación de cd, pero en un PUT puede variar al modificar al modificar el valor del divisor resistivo R! y R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, le dispositivo se conservará en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta en una caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentación en cd Vs. N general Rk está  limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.
R y C controlan la frecuencia junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por:

T = 1/f = RC lnVs/Vs-Vp = RC ln (1+R2/R1)
 
 

 
Fig.7 Circuito de disparo para un PUT.
 
 

TRIAC:

  El TRIAC (triode AC conductor) es un semiconductor capaz de bloquear tensión y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2. Su estructura básica y  símbolo aparecen en la fig.8. Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 --- iT2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.
 

Fig.8 TRIAC: Estructura y símbolo.
 

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRIAC:
 
Se puede considerar a un TRIAC como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo, con una conexión de compuerta común, como se muestra en la fig.9
Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, se activará al aplicar una señal negativa a la compuerta, entre la compuerta y la terminal MT1.
No es necesario que esten presentes ambas polaridades en las señales de la compuerta y un TRIAC puede ser activado con una sola señal positiva o negativa de compuerta. En la práctica, la sensibilidad varía de un cuadrante a otro, el TRIAC normalmente se opera en el  cuadrante I (voltaje y corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante III (voltaje y corriente de compuerta negativos).
 

Fig.9 Circuito equivalente de un TRIAC
 

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRIAC:
 
El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I  + :       Terminal T2 positiva con respecto a T1.
                          Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2.
La corriente de puerta circula internamente hasta T1 , en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.
 

Modo  I  - :  Terminal T2 positivo respecto a T1.
                    Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.
El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.
 

Modo III  + :  Terminal T2 negativo respecto a T1.
                        Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.
La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.
 

Modo III  - :    Terminal  T2 negativo respecto a T1.
                        Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.
La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.
 

Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.
El fabricante facilita datos de características eléctricas el bloqueo, conducción y de dispar por puerta de forma similar a lo explicado para el tiristor.
 

Fig.10 Características V-I de un TRIAC

 
 
 

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