CONTROLADORES

Introducción

El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:

1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.

2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”).

En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.

3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR.

El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).

El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, Dispositivos de Electrónica de Potencia teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo. En la siguiente figura se muestra una estructura simplificada del dispositivo.

Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2.

Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo.

De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la corriente de puerta.

Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas, en cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la unión J3 está entre dos regiones altamente dopadas, no es capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo del componente.

Existe una analogía entre el funcionamiento del tiristor y el de una asociación de dos tiristores bipolares, conforme se muestra en la figura.

Cuando se aplica una corriente de puerta IG positiva, Ic2 e IK aumentarán. Como Ic2 = Ib1, T1 conducirá y tendremos Ib2 = Ic1 + IG, que aumentará Ic2 y así el dispositivo evolucionará hasta la saturación, aunque se elimine la corriente de puerta IG. Tal efecto acumulativo ocurre si las ganancias de los tiristores son mayores que 1. El componente se mantendrá en conducción desde que, después del proceso dinámico de entrada en conducción, la corriente del ánodo haya alcanzado un valor superior al límite IL, llamada corriente de enclavamiento “latching current”.

Para que el SCR deje de conducir es necesario que su corriente caiga por debajo del valor mínimo de mantenimiento (IH), permitiendo que se restablezca la barrera de potencial en J2. Para la conmutación del dispositivo no basta con aplicar una tensión negativa entre ánodo y cátodo. Dicha tensión inversa acelera el proceso de desconexión por dislocar en los sentidos adecuados los portadores en la estructura cristalina, pero ella sola no garantiza la desconexión.

Debido a las características constructivas del dispositivo, la aplicación de una polarización inversa del terminal de puerta no permite la conmutación del SCR. Este será un comportamiento de los GTOs, como se verá más adelante.

Características tensión-corriente

En la figura podemos ver la característica estática de un SCR. En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión VAK. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON) aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. La caída de tensión directa en el estado de conducción (ON) es de pocos voltios (1-3 V).

Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON), aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.

TRIAC

El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor

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