El SCR o Diodo Controlado de Silicio es un dispositivo semiconductor de la familia de los tiristores, de enorme utilidad práctica que se encuentra en una infinidad de proyectos. Este componente, que funciona como un interruptor controlado por una tensión, puede usarse en funciones que van desde el simple control de lámparas y relés hasta como elemento fundamental en la conmutación de motores y máquinas industriales. Este artículo muestra cómo funciona, y algunas aplicaciones del mismo.
Los SCR son dispositivos semiconductores de la familia de los tiristores destinados a la çonmutación rápida de çorrientes que pueden variar desde una fracción de ampere hasta millares de amperes.
EI nombre SCR viene de su abreviatura en inglés "Silicon Controlled Rectifier" que traducido significa Rectificador (o Diodo) Controlado de Silicio.
En la figura1 tenemos los aspectos en que podemos encontrar Ios SCR, siendo tanto más grande el dispositivo cuanto más intensa fuera Ia corriente con que tiene que trabajar.
Los tipos destinados a controlar corrientes de alguna intensidad son dotados de recursos para su montaje en disipadores de calor.
Como podemos ver, los SCR están dotados de tres terminales que se denominan: Anodo (A), Cátodo (C o K), y Compuena (G).
Como funciona
Los SCR están formado por 4 capas de materiales semiconductores, en una estructura que puede ser llamada PNPN, como muestra ia figura 2.
Esta estructura, en verdad, equivale a dos transistores, un NPN y un PNP, que son conectados en un circuito regenerativo que son conectados como mostra la misma figura.
Tomando el circuito equivalente como punto de partida resulta bastante mas simple entender como funciona un SCR.
En una aplicación normal, el anodo es mantenido positivo em relación al catodo, como muestra la figura 3.
Con la compuerta despolarizada no debe haber circulación de ninguna corriente por los dos transistores pues el NPN se encuentra AL corte y con eso el PNP no tiene polarización de base.
Vamos a suponer ahora que se aplica una pequeña tensión positiva en la compuerta, para polarizar la juntura base-emisor del transistor en el sentido de que haya conducción,
Con eso, el transistor NPN entra en conducción, polarizando también la base del NPN, pues la corriente de base del PNP es la corriente de colector del NPN. El resultado es que fluye una corriente del emisor al colector del PNP
que va a reforzar la polarización de base del NPN.
El resultado es una realimentación: la corriente de colector del PNP polariza a la base del NPN que provoca una polarización de base del PNP. Rápidamente los dos transistores son llevados a la saturación, y aunque el estímulo inicial o sea la corriente de gate que dio principio al proceso desaparezca, los dos transistores permanecen en plena conducción.
Circula entonces una corriente máxima entre el ánodo y el cátodo.
Para desconectar el SCR es necesario reducir la corriente entre ánodo y cátodo a un valor suficientemente bajo para que la realimentación cese.
Tenemos dos posibilidades: una consiste en desconectar por un instante la alimentación del circuito, o sea, desconectar el ánodo por ejemplo (figura 4).
Otra posibilidad, que equivale a ánodo con el cátodo a través de um interruptor, u otro recurso equivalente.
Vea entonces el lector que:
Una vez disparado, el SCR permanece "conectado” aunque la corriente de compuerta desaparezca.
Para desconectar el SCR es preciso reducir la tensión entre el ánodo y el cátodo a un valor mínimo que impida la continuación del proceso de realimentación.
En la figura 5 tenemos una curva que representa bien estas características del SCR.
La operación del SCR ocurre en el primer cuadrante, ya que en el tercero tenemos la polarización inversa. El SCR se parece a un diodo: sólo conduce la corriente en un sentido.
A partir de una tensión de 0 volt, con la compuerta convenientemente polarizada, la tensión entre el ánodo y el cátodo puede subir hasta el punto VOB, cuando ocurrirá el disparo. La tensión entre el anodo y el cátodo cae a un valor mínimo, típicamente 2,0V, y la corriente se vuelve intensa.
La menor corriente en que el SCR todavía se mantiene conectado se denomina lo corriente de mantenimiento. Si la corriente principal cae por debajo de este valor, el SCR desconecta.
Modalidades de operación
Vea entonces, que podemos tener dos modalidades de operación para un SCR que dependen del tipo de polarización.
a) Disparo por compuerta:
En esta modalidad, que aparece en la figura 6, aplicamos una tensión tija entre el ánodo y el cátodo, conectando en serie la carga que se debe alimentar
Un pulso positivo se aplica a la compuerta y lleva al SCR a conducción plena.
Si la alimentación principal fuera de tensión continua, para desconectar el SCR, incluso después que desaparece el pulso, es necesario reducir al mínimo la tensión principal.
Si la alimentación fuera de tensión alternante, como muestra la figura 7, una vez terminado el pulso de disparo, el SCR desconecta al final de cada semiciclo positivo, pues la tensión se reduce a cero en ese instante.
Así, si existieran pulsos en secuencia para el disparo, dependiendo del instante en que ocurra el mismo, en relación con los semiciclos de alimentación, puede ocurrir el disparo o no del SCR y el tiempo de su conducción va a depender de cuánto de cada semiciclo resta por conducir.
Esta propiedad permite que el SCR se use como control de potencia en circuitos de corriente alterna.
La segunda modalidad de disparo se ilustra en la figura 8.
Polarizamos la compuerta del SCR con una tensión fija, dada por los resistores R1 y R2. Esta polarización determina la tensión entre el ánodo y cátodo que va a provocar el disparo.
Así, el SCR va a conectar cuando la tensión alcance el valor previsto y permanecerá en este estado mientras haya corriente disponible en el circuito.
Esta modalidad puede ser usada para hacer del SCR el elemento activo en un oscilador de relajación.
Características básicas
Las corrientes y tensiones máximas de los SCR comunes pueden variar desde algunos microamperes hasta muchos centenares de amperes, o de algunos volts hasta millares de volts.
No es preciso recordar que, para usar convenientemente un SCR tenemos que respetar los limites de corrientes y tensiones de cada elemento.
En la práctica existen SCR que, por sus características, son adecuados para el uso en infinidad de proyectos, además de tener un costo bastante accesible.
En este caso incluimos los SCR de la "familia" 106 que tienen los siguientes representantes: TlC106, MCR106, C106 e IR106. Los prefijos indican solamente los fabricantes, ya que las características generales son bastantes semejantes:
TIC: Texas Instruments
NCR: Motorola
C: General Electric
IR: International Rectifier
Estos SCR se fabrican para operar con tensiones entre 50 y 600 V y corrientes típicas de 3 a 5A. Su sensibilidad permite el disparo con corrientes tan pequeñas como 100 µA.
En la figura 9 tenemos el aspecto de este SCR.
Las especificaciones para este SCR son las siguientes:
VDRM: este símbolo representa la tensión máxima que podemos aplicar entre el ánodo y el cátodo en el sentido directo, cuando el mismo se encuentra desconectado. Es la máxima tensión de alimentación del circuito en que está el SCR. Para los tipos de la serie 106, esta tensión puede estar implícita en la última letra o símbolo del SCR, como sigue:
Para el TIC 106:
TlC106Y - 30V
TlC106F - 50V
TIC106A - 100V
TIC106B - 200V
TlC106C - 300V
TIC106D - 400V
Para el MCR106G:
MCR106-1 - 30V
MCR106-2 - 60V
MCR106-3 - 100V
MCR106-4 - 200V
MCR106-5 - 300V
MCR106-6 - 400V
Vea que, conectando en un circuito de tensión alterna al SCR, el valor considerado debe ser el de pico. Así, para la red de 220V precisamos un SCR de por lo menos 400V (TIC106D o MRC106-6).
VRRM -: esta es la tensión inversa de pico máxima que el componente soporta o sea, la.; máxima tensión que puede aparecer entre el cátodo y el ánodo. Evidentemente esta tensión sólo puede existir con el SCR desconectado.
Su valor máximo para los SCR de la serie 106 es tipicamente el mismo que VDRM.
lT: corriente máxima en el sentido directo. Esta corriente puede ser especificada en términos de valor continuo o RMS. Es la máxima corriente que el SCR puede controlar.
Para el MCR106 esta corriente es de 4A y para el TIC106 es de 5A.
lGT corriente de disparo de compuerta: es la corriente que debe circular por la compuerta para llevar al SCR del estado de desconectado a conectado, o sea la corriente mínima que dispara el componente. Para los tipos comunes puede darse un valor típico (typ), o bien un valor mínimo (min.), 0 (máx.).
Así, tenemos: TIC106... IGT(typ) = 60 µA
MCR106... IGT(máx.) = 200 µA
VGT: esta es la tensión que, aplicada a la compuerta, provoca la circulación de la corriente de disparo. Para el MCR106 su valor máximo es de 1,0V y para el TIC106 también 1,0V.
lH o "holding current": es la corriente de mantenimiento, o sea, la corriente mínima que puede haber entre el ánodo y el cátodo sin que desconecte. Para el TlC106 esta corriente varia entre 5 y 8mA y para el MCR106 tiene un valor máximo de 5,0 mA.
VTM: tensión entre ánodo y cátodo cuando está conectado. Es la tensión que medimos entre el ánodo y el cátodo cuando el SCR está en plena conducción, o sea la caída de tensión que ocurre en el componente cuando está conectado. Su valor varia típicamente entre 1,7 y 2,0V y a través de él podemos calcular la potencia disipada.
Así, para un SCR que conduce 2A de corriente con una caída de 2V Ia potencia desarrollada es de 2 x 2 = 4,0 watt (figura 10).
Utilización
En la utilización de un SCR tenemos que considerar diversos factores.
En los circuitos de corriente continua, como el de la figura 11, la carga es normalmente conecta-da entre la fuente y el ánodo, y la señal de disparo aplicada entre la compuerta y el cátodo.
El resistor en serie con la compuerta limita la corriente de disparo a valores seguros. Se lo debe calcular para permitir la circulación de la corriente mínima de disparo, conforme la fuente de la señal.
En algunos circuitos es preciso polarizar el cátodo para que corrientes de fuga inherentes al propio componente no provoquen el disparo errático del SCR. Esto debe hacerse por ejemplo en el caso del TIC106 según muestra la figura 12.
El resistor tiene valores típicos entre 1k y 10k. El valor exacto depende de la tensión de disparo y de la tensión de alimentación.
Cuando mayor la tensión de alimentación mayor es la tendencia al disparo y por lo tanto menor debe ser el resistor para corregirla. Para la tensión de disparo, debe prever se la intensidad de la señal.
En los circuitos de corriente alterna, el SCR se conecta como muestra la figura 13, observándose un diodo de protección de compuerta.
Lo que ocurre es que el SCR no admite que la compuerta esté negativa en relación al cátodo cuando el cátodo está negativo en relación al ánodo, o sea, en las condiciones mostradas en la figura 14 que ocurrirían en el semiciclonegativo de la alimentación.
Si esto ocurre el SCR puede quemarse. El diodo sirve de protección impidiendo la aplicación de tensiones negativas de compuerta.
Finalmente, recordamos que los SCR son dispositivos de control de media onda, o sea, son diodos.
Así, en los circuitos de corriente alterna, sólo tenemos mitad de los semiciclos conducidos para la carga, lo que implica el máximo de 50% de la potencia total aplicada.
Una manera de conseguir el control de onda completa se muestra en la figura 15 con la ayuda de un puente de diodos.
Los diodos usados deben tener tensiones inversas de pico de misma orden que el SCR y corrientes iguales o mayores que las exigidas por la carga.
Circuitos de aplicación se pueden encontrar en la sección Banco de Circuitos de CIR092S a CIR096S
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