6.1 – Estructura y funcionamiento del SCR
SCR significa Silicon Controlled Rectifier que la traducción nos lleva al Rectificador Controlado de Silicio o aún al diodo controlado silicio. Es un semiconductor que recuerda en el comportamiento un diodo, pero que puede ser controlado o externamente disparado y con eso dejar pasar corrientes intensas.
El SCR consiste en estructural un diodo de 4 capas, como el lector puede ver de la figura 1.
Estas cuatro capas o camadas, si se corta la forma en que el lector puede ver por la figura 2, nos conducen al circuito equivalente de la SCR, que está formada por dos transistores complementarios Unidos por sus elementos.
En la figura 3 tenemos el símbolo adoptado para representar el SCR y los aspectos de los SCRs de los tipos más comunes.
Vea que los tipos más usados tienen características para el montaje en radiadores de calor. Los SCRs se identifican con un código de fábrica.
Así, si tomamos este circuito equivalente, será mucho más fácil analizar cómo funciona el SCR, mientras que en la práctica dos transistores conectados en la forma indicada no dan lugar a un componente con las mismas características que un SCR fabricado en una sola estructura.
Así que analizamos cómo funciona este circuito equivalente. Como podemos ver, los dos transistores están conectados en una forma que forma una "llave regenerativa", es decir, el colector de uno está conectado en la base del otro y el colector del otro en la base de la primera. Una de las bases corresponde al electrodo de disparo el "gate" (compuerta-abreviada por G).
Para polarizar el SCR de modo que tengamos su operación normal, debemos aplicar una tensión positiva al ánodo, dejando el cátodo bajo el potencial más bajo, esto es, negativo.
Bajo estas condiciones, sólo una corriente muy débil puede circular por el componente debido a la fuga de los elementos internos. Esta corriente es del orden de las millonésimas de ampere, y es usualmente despreciada, como el lector puede ver en la figura 4.
Para disparar el SCR debemos aplicar una señal positiva al elemento de puerta (G), de modo que la junción emisora de base del transistor NPN se polarice en la dirección directa.
Bajo estas condiciones, la corriente que circula por la base de este transistor es amplificada dando lugar a una corriente más grande del colector.
Pero, el colector del transistor de NPN está conectado a la base del transistor PNP y, de tal manera que, circulando corriente a este respecto, tendrá tal sentido que hará que el transistor PNP entra en acción, ampliándose.
El resultado es que ahora, el efecto que se propaga y tenemos la aparición de nueva corriente amplificada en el colector del transistor PNP.
Vea, sin embargo, que el transistor PNP tiene su colector conectado de nuevo a la base del transistor NPN, cerrando así un sistema de realimentación. De esta manera, la corriente del colector del transistor PNP se añade a la corriente de disparo, aumentando aún más la corriente en el transistor NPN.
El resultado final es que todas las corrientes en este circuito se incrementarán en intensidad al máximo determinado por las características de saturación del componente y, incluso si hemos eliminado la señal inicial que dio lugar al proceso, el componente continúa en conducción por un efecto de realimentación, como se muestra en la figura 5.
A continuación, circula entre el ánodo y el cátodo del componente una fuerte corriente que ya no depende de la señal que se usó en el rodaje.
Los SCRs comunes son muy sensibles y pueden conducir corrientes de hasta unos pocos ampères entre el ánodo y el cátodo, cuando se aplica una señal de disparo de menos de 1 mA a su compuerta.
Para apagar el SCR, ya que sigue conduciendo incluso después de que la corriente de la compuerta inicial ha desaparecido, tenemos varias posibilidades.
Uno de ellos consiste en interrumpir por un momento la corriente principal, que circula entre el ánodo y el cátodo. Simplemente apague la alimentación por un momento para que el SCR cuelgue y espere un nuevo disparo. La figura 6 muestra cómo se puede hacer esto.
Otra posibilidad es cortocircuitar el ánodo y el cátodo, como se muestra en la figura 7.
Una tercera forma de "desconectar" el SCR es reducir la corriente principal a un valor mínimo por debajo de la que el componente necesita para funcionar.
De hecho, cuando disparado, el SCR necesita una intensidad de corriente mínima entre su ánodo y el cátodo para permanecer ligado.
Esta, Corriente se llama "corriente de manutención", abreviado por IH en los manuales (de Holding Current ) y vale unas pocas decenas de miles de ampères para los tipos comunes, como el lector puede observar en la figura 8.
Tenga en cuenta el lector que en realidad SCR se compone como un diodo, ya que la corriente principal sólo puede circular entre el ánodo y el cátodo en una dirección, por lo tanto, el símbolo adoptado.
El hecho de que este componente sólo puede conducir la corriente en una dirección y que una vez que se dispara, por lo que permanece incluso después de la corriente que lo conectó, trae algunos inconvenientes a ciertos proyectos, pero estos inconvenientes pueden ser superados, Como veremos con el uso de otros componentes de la misma familia.
La curva característica de SCR recuerda los diodos semiconductores, como podemos ver en la figura 9.
Además, cuando observamos las especificaciones del SCR, la importancia de los puntos principales resaltados será más clara.
En la interesante familia de Tiristores a los que pertenece el SCR, encontramos otros dispositivos como el GTO (Gate Turn-Off SCR) que es sólo un SCR que puede ser "desconectado" mediante la aplicación de un pulso negativo a su compuerta; Encontramos los Triacs que son dispositivos conmutadores bilaterales, o sea, de comportamiento similar a los SCRs, pero que pueden conducir la corriente en ambas direcciones; Encontramos los DIACs, SUS, SBSs y muchos otros.
Especificaciones
Los SCRs pueden funcionar con corrientes de varios ampères y, cuando se apaga, puede mantener tensiones de cientos o incluso miles de volts entre su ánodo y el cátodo.
Una inversión incorrecta de polaridad o las condiciones de la señal de disparo, incluso de algunos volts, o un exceso de corriente o tensión entre el ánodo y el cátodo puede llevar el componente a la quema.
Tensión máxima entre el ánodo y el cátodo (VD y VR)
Cuando el SCR está apagado, puede resistir una tensión máxima que lo polariza en la dirección directa e inversa, que se da según el tipo. La abreviatura VR En los manuales se refiere a la tensión inversa, mientras que el VD Se refiere a la tensión directa.
Los valores en cuestión se refieren a los máximos continuos, ya que, si tenemos un pico a corto plazo, el componente todavía puede soportarlo. El valor máximo de pico también se da en los manuales y es mayor que el valor continuo, como se muestra en la figura 10.
Corriente máxima en la dirección directa (ID)
Es la corriente máxima continua que SCR puede conducir una vez que está disparado. Si el circuito funciona con una corriente pulsante, en el caso de los ciclos de una corriente alterna que son sinusoidales, también podemos especificar el valor RMS como el lector puede ver en la figura 11.
Cuando un SCR está conduciendo la corriente, todavía presenta una cierta resistencia. Su comportamiento es tal que, entre el ánodo y el cátodo, independientemente de la intensidad de la corriente conducida, hay una caída de tensión del orden de 2,0 V.
Esta tensión, multiplicada por la intensidad de la corriente determina la cantidad de calor producida en el componente.
Corriente de manutención (holding current - Ih)
Es la corriente más pequeña que puede circular entre el ánodo y el cátodo cuando el SCR está funcionando, sin que se apague.
Potencia de disipación (Pd)
Esta potencia,, en realidad, ya está determinado por la corriente máxima, porque como hemos visto, la caída de tensión de 2,0 V en el componente en la conducción directa es constante.
Corriente de disparo (IGt)
La corriente mínima que debe circular por el electrodo de puerta del SCR para que se dispare es un dato muy importante en cualquier proyecto que involucre este componente, ya que es una medida de su sensibilidad.
Para los SCRs que se encuentra comúnmente en los circuitos comunes, además de los utilizados en nuestras obras, esta corriente puede estar entre 100 o 200 µA hasta 100 o 200 mA dependiendo del tipo.
Para circular por el componente la corriente del disparo debemos superar la barrera potencial de la junción emisora de base del transistor NPN "equivalente" al SCR, como se muestra en la figura 12.
Entonces necesitamos una tensión que típicamente estará entre 0,6 v y 1,0 V para los tipos comunes, viniendo en algunos casos a 2 V.
Velocidad de funcionamiento (dV/dt y di/dt)
Cuando tenemos un SCR, la tensión entre el ánodo y el cátodo no cae inmediatamente a cero, dando así paso a la corriente total. El SCR es un dispositivo relativamente lento y esto debe ser considerado en uso o y reemplazo.
Medimos la velocidad del funcionamiento de un SCR por la velocidad de variación de la tensión en el cierre, es la variación de la tensión del ánodo en cada microsegundo (dV/dT) como se muestra en la tabla de la figura 13.
En él también demostramos que al apagar el dispositivo la corriente no cae a cero inmediatamente, sino más bien a una taja designada por di/dt.
De acuerdo con estas especificaciones necesitamos tener cuidado con el uso de SCR, que van más allá de obedecer los límites indicados por los manuales.
Además de ellos encontramos otros que pueden ser útiles cuando realizamos proyectos con estos componentes tales como: resistencias térmicas, temperaturas, etc. y que son similares a los especificados para otros componentes que ya hemos estudiado en este libro.
Consideraciones de uso
Un cuidado muy importante que debe ser tomado con este tipo de componente es nunca intentar aplicar un pulso negativo o tensión de disparo en la compuerta cuando el ánodo es negativo en relación al cátodo, como se muestra en la figura 14.
Si esto ocurre, el SCR puede quemarse. Una solución para evitar que esto suceda es conectar un diodo a la compuerta del componente, si en el circuito en el que opera existe la posibilidad de que ocurra la inversión, tanto del disparo como de la alimentación.
En la figura 15, mostramos cómo se conecta este diodo.
Para un mejor uso de nuestra lección será interesante dividir las aplicaciones SCR en dos grupos: circuitos de corriente continua y circuitos de corriente alterna.
En equipos electrónicos en general podemos encontrar los dos tipos de circuitos y el lector debe estar preparado para hacer su identificación.
Circuitos de corriente continua
En los circuitos de corriente continua, no tenemos muchos problemas de uso, ya que es suficiente mantener el ánodo positivo con relación al cátodo.
La carga se conecta normalmente en serie con el ánodo, como se muestra en la figura 16.
En algunos casos es posible conectar la carga al cátodo, como se muestra en la figura 17, sin embargo, no es un procedimiento muy interesante ya que de esta manera se dificulta el disparo, ya que normalmente necesitamos una tensión que será la suma de la tensión normal de disparo con la la tensión que representa la caída de tensión en la carga.
Aunque el SCR puede funcionar tanto en circuitos de corriente continua como en corriente alterna, observamos que el conduce la corriente en una sola dirección.
Así, si deseamos un control completo, con la corriente conduciendo a la carga en ambas direcciones, tenemos que utilizar dos SCRs y la conexión se puede hacer de varias maneras.
En la figura 18 tenemos, por ejemplo, la conexión de una carga en un circuito de AC utilizando dos SCRs.
En la figura 19 tenemos la forma de controlar una carga de onda completa utilizando sólo un SCR.
En este circuito, los diodos del puente deben tener la corriente requerida por la carga.
Finalmente, en la figura 20 tenemos un circuito puente, con control de onda completa, utilizando dos diodos y dos SCRs.
Para el circuito de disparo, tenemos varias opciones.
Respetando la corriente máxima y la tensión máxima soportada por el SCR, para accionarla basta con aplicar una señal a la compuerta, que se puede hacer de dos maneras, como se muestra en la figura 21.
En un caso la corriente se utiliza desde el propio circuito que alimenta la carga, responsable de la corriente principal. Un resistor (R) limita la intensidad de la corriente de disparo.
En otro caso, aprovechamos un circuito separado que, sin embargo, tiene un elemento en común con el circuito de corriente principal, correspondiente al cátodo.
Tenga en cuenta que, si las corrientes de los dos circuitos circulan en común por el cátodo, los dos circuitos (carga y control) no interfieren. Esto significa que, en la práctica, el circuito de carga puede ser de alta tensión, y el control de baja tensión, sin que eso signifique cualquier problema.
Esta característica de SCR que es capaz de controlar cargas de alta potencia de señales de baja intensidad se asemeja mucho al relé.
Sin embargo, si el SCR es mucho más pequeño y más barato que el relé, presenta una grave desventaja en este tipo de aplicación: no hay aislamiento entre el circuito de control y el circuito de carga, como el lector puede ver en la figura 22.
Para desactivar el SCR en este tipo de aplicaciones, ya que estamos operando con corriente continua, necesitamos interrumpir por un momento la corriente en el circuito o cortocircuitar por un momento el ánodo y el cátodo.
Algunos tipos de SCRS, como TIC106 (Texas), requieren en ciertas aplicaciones el uso de un resistor adicional de polarización de la compuerta, cuyo valor será entre 1 k y 47 k ohms, como podemos observar en la figura 23.
Sin esto resistor, con una tensión muy alta entre el ánodo y el cátodo, la corriente de fuga puede llegar a ser lo suficientemente intensa para iniciar el proceso de realimentación, y con esto provocar el disparo. El SCR disparará "solo" si no se añade esto resistor para desviar la corriente de fuga que circulará a través de la junción gate-cátodo.
Circuitos de corriente alterna
En este caso debemos tener en cuenta dos hechos importantes: uno es que la corriente alterna invierte constantemente su dirección, mientras que el SCR sólo conduce la corriente en una dirección.
Si mantenemos el SCR funcionando aplicando una corriente alterna al circuito de carga, sólo estaremos conduciendo los positivos, como se muestra en la figura 24.
Por otro lado, si aplicamos un pulso de corta duración, dependiendo del instante en el ciclo de la tensión que alimenta el circuito, el SCR puede disparar o no, y en función de este disparo, podemos tener su conducción por más o menos tiempo, ya que, cuando la tensión desciende a cero al final de cada ciclo, el SCR se apaga, como podemos ver en la figura 25.
Esta función se puede utilizar en un modo muy importante de aplicaciones para los SCRs, que son los controles de potencia para la red de corriente alterna.
Se detallará el funcionamiento del SCR en una de estas aplicaciones a partir del circuito de la figura 26 que es típica.
La tensión de disparo del SCR se alcanza dependiendo del tiempo de carga del capacitor C a través del resistor R.
Asumiendo que la tensión se alcanza al principio del semiciclo, el SCR dispara y ya conduce prácticamente todo el ciclo para la carga, que luego recibe la potencia máxima.
Si el valor de R es grande, la tensión de disparo sólo se consigue al final del ciclo, y cuando el SCR "enciende" la carga, sólo recibe el "fin" del semiciclo, que corresponde a una potencia mínima, como puede ver el lector en la figura 27.
Vea que, si hacemos variable R, podemos controlar la potencia aplicada a una carga.
Este tipo de control se llama control de energía linear o control de energía de ángulo de fase.
La denominación "ángulo de fase" proviene del hecho de que podemos disparar el SCR en cualquier momento entre 0 y 180 º de un semiciclo, para obtener una parte de su conducción.
En la práctica no conseguimos un control total de la potencia de 0 a 100% del semiciclo, ya que, como vimos, el SCR debe esperar hasta que el rango de tensión de 0,6 a 2 V en su compuerta para que se dispare, o bien el voltaje del disparo del dispositivo de conmutación utilizado.
Así que hay un pequeña "banda muerta" que debe ser considerada en aplicaciones prácticas.
Otro problema que se produce es que el SCR sólo conduce la mitad de la corriente alterna de la red eléctrica, de modo que, en un circuito como el que se muestra, la potencia varía de 0 a 50%.
Usando el circuito que mostramos en la figura 19 o incluso el circuito en la figura 28 podemos tener un control de onda completa.
En la figura 29 tenemos otra forma de obtener un control de onda completa con un SCR y un puente de diodos;
Recuerde que los diodos deben ser capaces de impulsar la corriente total de la carga.
Por otra parte, si mantenemos la compuerta polarizada continuamente por medio de una fuente externa, el SCR seguramente disparará tan pronto que tengamos por lo menos 2,0 V entre el ánodo y el cátodo, y así tenemos el positivo-ciclo que conduce para la carga.
En esta aplicación, el SCR funciona como una especie de interruptor o relé, encendiendo y apagando una carga de corrientes muy débiles.
Ésta es apenas una de las aplicaciones importantes del SCR, tal como interruptor de estado sólido o incluso como relé de estado sólido.
Problemas de interferencia (RFI)
RFI o Radio Frequency Interference ( Interferencia por Radio Frecuencia) es un problema que afecta a todos los fabricantes de equipos electrónicos.
Hay estándares muy bien establecidos que determinan los límites del ruido y de la interferencia que cualquier equipo electrónico puede generar.
Las empresas deben caer en estas normas si quieren vender su equipo.
El hecho de que el SCR sea un componente de conmutación rápida provoca que se generen señales indeseables o transitorias en su conmutación, propagando por sí misma o por la red de alimentación misma o a través del espacio, interfiriendo con receptores de radio e incluso con televisores.
El espectro de señales generadas por los SCRs en la conmutación, y otros dispositivos que estudiaremos en este libro, puede alcanzar 100 MHz, lo que significa un potencial considerable de interferencia en una gran cantidad de equipos de comunicaciones.
Las radios AM, las TVs analógicas de banda VHF, son algunas electrónicas muy sensibles a las interferencias causadas por los SCRs.
De esta manera, es común que los circuitos que utilizan los SCRs provoquen interferencias que deben ser eliminadas.
En la figura 30 mostramos un filtro para estas interferencias, que sirve para evitar su acción a través de la red. Conectado en serie con el dispositivo que utiliza SCR, evita que la interferencia generada salga del dispositivo y se propague a través de la red.
Una configuración muy común, encontrada en fuentes conmutadas que utilizan no sólo los SCRs como otros componentes, es la que hace uso de un transformador diferencial toroidal, como se muestra en la figura 31.
En este tipo de filtro los bobinados del transformador se hacen de tal manera que las señales de interferencia del circuito se cancelan.
Conectado en serie con el dispositivo interferido, el filtro impide que las señales de interferencia que vienen a través de la red para llegar a ella. Vea que este tipo de filtro sólo sirve para las interferencias que se propagan por la red de alimentación.
En los casos en que la interferencia se produce a través del espacio, en forma de ondas electromagnéticas, debemos proteger el aparato de interferencia y conectar su carcasa a la tierra.
GTO
GTO viene de Gate Turn-Off, siendo este término usado para designar los SCRs que pueden ser apagados por una señal de la compuerta.
Este comportamiento se debe precisamente a su estructura equivalente a dos transistores que se realimentan, como se muestra en la figura 32.
Como podemos ver, no basta aplicar una corriente negativa en la compuerta porque es simplemente no pasa por el transistor equivalente de realimentación para evitar que continúe conduciendo.
La única manera de desconectar este circuito es causando que la corriente principal caiga por debajo del valor de mantenimiento.
En el caso de un GTO, lo que se hace y se estructura el componente de una manera diferente a la de un SCR común, como se muestra en la Figura 33.
Esta estructura lleva a un componente que presenta las siguientes diferencias en relación con un SCR común:
Las interconexiones de las camadas de control son más delgadas, minimizando la distancia entre la compuerta y el centro de las regiones catódicas y aumentando así el perímetro de las regiones de puerta.
Hay n-regiones que cortocircuitan las regiones anódicas para acelerar la parada.
La tensión reversa de ruptura es muy baja
Como es un tipo especial de SCR, su símbolo es similar al del SCR común, sólo observando la indicación de que puede ser desactivado por una señal aplicada a la compuerta, como se muestra en la figura 34.
El disparo de un GTO, así como su parada, debe hacerse con los circuitos y formas de onda apropiados.
Para disparar el GTO se debe aplicar una señal que tenga un ascenso rápido, es decir, un alto di/dt.
Si la señal es lenta, sólo una parte del dispositivo pasa a la conducción, con una distribución desigual de la energía y consecuentemente el calor generado, lo que puede causar que el dispositivo se queme.
Una vez establecida la conducción, se deja circulando un Igon de manutención para asegurarse de que el dispositivo no se apague espontáneamente.
Para llevar el GTO al corte, se debe aplicar una Ig de alta corriente, cuya intensidad depende de las características del dispositivo.
Esta corriente se interrumpe en cuanto el aparato se apaga.
Sin embargo, se debe mantener durante algún tiempo una tensión negativa en la puerta, para evitar que el GTO se encienda espontáneamente.
Las especificaciones del GTO son similares a las de los SCRs común, sólo con la diferencia de que tenemos una corriente de disparo bilateral.
Contenido
Parte 1 - Unidades - Energía (CUR2001S)
Parte 3 - Transistores de potencia bipolares (CUR2003S)
Parte 4 - MOSFETs de Potencia (CUR2004S)
Parte 5 - Los IGBTs (CUR2005S)
Parte 6 - Tiristores – El SCR (CUR2006S)
Parte 7 - Tiristores - El Triac (CUR2007S)
Parte 8 – Tiristores – Otros Dispositivos (CUR2008S)