ESCUELA POLITCNICA NACIONAL DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS: TIRISTORES: Una familia de dispositivos conocidos como tiristores se construye con cuatro capas semiconductoras (pnpn). Estos dispositivos actan como circuitos abiertos capaces de soportar cierto voltaje nominal hasta que son disparados. Cuando son disparados, se encienden y se convierten en trayectorias de baja resistencia para la corriente y permanecen as, incluso despus de que desaparece el disparo. La palabra tiristor viene del griego y significa puerta, puesto que se comporta como una puerta que se abre y permite el paso de corriente a travs de ella. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentacin interna para producir un nuevo tipo de conmutacin. Al igual que los FET de potencia, el SCR y el triac pueden conmutar grandes corrientes. Por ello, la principal aplicacin de estos dispositivos es el control de grandes corrientes de carga para motores, calentadores, sistemas de iluminacin y otras cargas semejantes. En s, el tiristor es un conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez, el tiristor es un componente idneo en electrnica de potencia. El Triac por su parte no es sino la variante bidireccional. El trmino tiristor designa a toda una familia de elementos semiconductores cuyas caractersticas son similares. Dentro de esta gran familia cabe distinguir: Los tiristores propiamente dichos que son los elementos ms conocidos y se denominan SCR (silicon controlled rectifier). Los TRIAC que se derivan de los anteriores con la diferencia de ser bidireccionables. Los fototiristores o Tiristores Fotosensibles. Los tiristores bloqueables GCO. El Conmutador Unilateral de Silicio SUS (silicon unilateral switch). El Conmutador Bilateral de Silicio SBS. El Tiristor Tetrodo de dos elementos de mando o SCS. El diodo SHOCKLEY o diodo Tiristor. EL TIRISTOR SCR ESTRUCTURA Y SMBOLO El tiristor es un elemento semiconductor slido de silicio formado por cuatro capas P y N alternadamente dispuesta como se ve en la siguiente figura 2.2.1:

Figura 2.2.1 Estructura del SCR y smbolo del SCR Los dos terminales principales son el nodo y el ctodo y la circulacin entre ellos de corriente directa est controlada por un electrodo de mando llamado puerta. El SCR es un elemento unidireccional, una vez aplicada la seal de mando a la puerta, el dispositivo deja pasar una corriente la cual tiene un sentido nico. Este tiristor se lo conoce como SCR por sus siglas en ingls (silicon controlled rectifier). Este dispositivo cumple con varias misiones. Rectificacin: consiste en usar la propiedad de funcionamiento unidireccional que realiza la funcin de un diodo. Interrupcin de corriente: usado como interruptor el SCR puede reemplazar a los contactos metlicos. Regulacin: la posibilidad de ajustar el momento preciso de conduccin del SCR permite gobernar la potencia o la corriente media a la salida. Amplificacin: puesto que la corriente de mando puede ser muy dbil en comparacin con la corriente principal IAK se produce el fenmeno de amplificacin de corriente.

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SCR: la estructura del SCR se puede entender mejor pensando que su estructura pnpn interna es un arreglo de 2-transistores, como se muestra en la fig.

Las capas pnp superiores actan como el transistor Q 1, y las capa npn inferiores actan como el transistor Q2. Una vez ms, los transistores comparten las dos capas intermedias. ACTIVACIN DEL SCR: Cuando la corriente de compuerta, IG , es cero, como se muestra en la fig. 6.10 a), el dispositivo acta como un diodo Shockley en el estado apagado. En este estado, la resistencia muy alta entre el nodo y el ctodo puede aproximarse a un interruptor abierto, como se indica. Cuando se aplica un pulso [disparo] de corriente positivo a la compuerta, los dos transistores se activan [el nodo debe ser ms positivo que el ctodo]. Esta accin se muestra en la fig. 6.10 b).

IB2 activa Q2, proporcionando un camino para que IB1 salga por el colector de Q2, as se activa Q1. La corriente de colector de Q1 proporciona corriente de base adicional para Q 2 de modo que Q2 permanezca en conduccin despus que se elimine el pulso de disparo de la compuerta. Esta accin regenerativa, Q2 mantiene la conduccin de saturacin de Q1 proporcionando un camino para IB1; a su vez, Q1 mantiene la conduccin de saturacin de Q2 proporcionando IB2. As, el dispositivo permanece activado [latches] una vez que est activado, como se muestra en la fig. 6.10 c).

En este estado, la resistencia muy baja entre el nodo y el ctodo puede ser aproximada a un interruptor cerrado, como se indica en la fig. 6.10. CURVA CARACTERSTICA DEL SCR (IAK vs VAK) Cuando es nula la tensin VAK lo es tambin la IA. Al crecer la tensin V en sentido directo (VF) se alcanza un valor mnimo Vd que provoca el cebado o conduccin del tiristor. El tiristor se hace entonces conductor y cae la tensin nodo-ctodo mientras aumenta la corriente IA, por lo mismo a esta corriente directa la llamaremos I F (F de forward). Si se polariza inversamente al tiristor aplicndole una tensin VR en sentido reverso aparece una corriente inversa de fuga IR hasta que alcanza un punto de tensin inversa mxima que provoca la destruccin del elemento. El tiristor es conductor en el primer cuadrante, el disparo ha sido provocado por el incremento de tensin A-K. La aplicacin de una corriente de mando en la puerta desplaza como veremos hacia la izquierda al punto de disparo Dd, as:

Cuando la IG sea igual a cero el tiristor no se dispara hasta que alcanza el voltaje de disparo entre nodo y ctodo. A medida que aumenta la I G disminuye el valor de la tensin de disparo. Para prevenir posibles disparos espordicos del tiristor se puede conectar una resistencia en paralelo entre la compuerta y el ctodo.

Apagado del SCR.- Cuando la compuerta regresa a 0V despus que se ha quitado el pulso de disparo, el SCR no puede apagarse; permanece la regin de conduccin directa. La corriente de nodo debe caer por debajo del valor de la corriente de sustentacin, IH, para que ocurra el apagado. La corriente de sustentacin se indica en la fig. 6.11.

Hay dos mtodos bsicos para apagar un SCR: interrupcin de la corriente de nodo y conmutacin forzada. La corriente de nodo se puede interrumpir momentneamente con un arreglo de interruptores en serie o en paralelo, El conmutador en serie simplemente reduce la corriente de nodo a cero y determina el apagado del SCR. El interruptor en paralelo enruta una parte de la corriente total fuera del SCR, esto reduce la corriente del nodo a un valor menor que I H. El mtodo de conmutacin forzada bsicamente requiere que la corriente a travs del SCR momentneamente se fuerce en direccin opuesta a la conduccin directa de manera que la corriente directa neta se reduzca por debajo del valor de sustentacin. APLICACIONES DEL SCR El SCR tiene muchas aplicaciones en las reas de control de potencia y conmutacin. se tienen varias aplicaciones del SCR: para controlar corriente; control de potencia de media-onda; circuito bsico para control de fase; sistema de respaldo [backup] de iluminacin en caso de interrupciones de energa; circuito para proteccin de sobrevoltaje o crowbar. Control de Encendido-Apagado de Corriente.- La fig.6.14 muestra un circuito con SCR que permite que se conmute una corriente a una carga mediante el cierre momentneo del interruptor SW1 y que se quite la corriente de la carga mediante el cierre momentneo del interruptor SW2.

Asumiendo que el SCR inicialmente est apagado, el cierre momentneo de SW1 proporciona un pulso de corriente a la compuerta, as se activa el SCR de modo que conduce corriente a travs de RL. El SCR permanece en conduccin an despus de que el contacto momentneo de SW1 termine. Cuando se cierra momentneamente SW2, la corriente se desva del SCR a tierra, reduciendo su corriente de nodo por debajo del valor de sustentacin I H. Esto desactiva al SCR y as la corriente de carga se reduce a cero. Control de Potencia de Media-Onda.- Una aplicacin comn de los SCR es en el control de energa ac para lmparas tipo dimmer, calentadores elctricos, y motores elctricos. Cuando la entrada ac se hace negativa, el SCR se desactiva y no conduce otra vez hasta el punto de disparo en el prximo medio-ciclo positivo. El diodo evita que el voltaje ac negativo se aplique a la compuerta del SCR.

Sistema de iluminacin en caso de interrupciones de energa.- Otro ejemplo de aplicacin del SCR, es el circuito que mantiene la iluminacin utilizando una batera de reserva [backup] cuando hay una falla de energa.

Cuando hay una interrupcin de la energa ac, el capacitor se descarga a travs del lazo cerrado formado por D3, R1, y R3, haciendo al ctodo menos positivo que el nodo o la compuerta. Esta accin establece una condicin de disparo, y el SCR empieza a conducir. La corriente desde la batera circula por el SCR y la lmpara, as se mantiene la iluminacin, como se muestra en la fig. 6.17 b). Cuando se restablece la energa ac, el capacitor se recarga y el SCR se desactiva. La batera empieza a recargarse.

Circuito para Proteccin de Sobre-Voltaje o Crowbar.- La fig. 6.18 muestra un circuito para proteccin de sobre-voltaje simple, a veces llamado circuito crowbar, en una fuente de energa DC. El voltaje DC de salida del regulador es monitorizado por el diodo Zner D1 y el divisor de voltaje resistivo [R1 y R2]. El lmite superior del voltaje est establecido por el voltaje zner. Si se excede este voltaje, el zner conduce y el divisor de voltaje produce un voltaje de disparo del SCR. El voltaje de disparo activa al SCR, que est a travs del voltaje de la lnea. La corriente del SCR hace que el fusible se queme, as se desconecta el voltaje de lnea de la fuente de poder.

EL TRIAC

DEFINICIN: El triac es un elemento semiconductor de tres electrodos uno de los cuales es el mando (puerta) y los otros dos son los terminales principales de conduccin. El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un rgimen conductor en los dos sentidos de polarizacin (I y III cuadrantes) y volver al estado de bloqueo por inversin de la tensin o por disminucin de la corriente por debajo del valor I H. En la figura 2.3.1 se describe la curva caracterstica y su smbolo.

El triac es la versin unidireccional del SCR y se puede comparar a la asociacin de antiparalelo de dos tiristores tal como se indica en la figura 2.3.2

Pueden describirse cuatro cuadrantes de polarizacin para caracterizar el funcionamiento del triac tal como se detalla en la figura 2.3.3

El dispositivo puede pasar al estado conductor inmediatamente de las polaridades de puerta o de nodo. El disparo se efecta en los cuatro cuadrantes. ACTIVADO DEL TRIAC Si se aplica la tensin V1 al nodo A1, la tensin V2 al nodo A2 y la tensin VG a la puerta y si tomamos V1 como punto de referencia a tierra podemos definir cuatro cuadrantes de polarizacin, los cuales se indican en la siguiente tabla. CUADRANTEI II III IV

V2>0 >0