martes, 18 de agosto de 2009

transistores SCR

  1. DEFINICIÓN.

2. ESTRUCTURA

3. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

3.1 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

3.2 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.

3.3 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

3.4 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.

1. DEFINICIÓN.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.



Figura 1: Símbolo del SCR.


2. ESTRUCTURA.


Figura 2 : Estructura básica del SCR.


3. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

• Interruptor casi ideal.

• Soporta tensiones altas.

• Amplificador eficaz.

• Es capaz de controlar grandes potencias.

• Fácil controlabilidad.

• Relativa rapidez.

• Características en función de situaciones pasadas (memoria).

3.1 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades:

- Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: VRWM

- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM

- Tensión directa ...........................................................................: VT

- Corriente directa media ...............................................................: ITAV

- Corriente directa eficaz ................................................................: ITRMS

- Corriente directa de fugas ............................................................: IDRM

- Corriente inversa de fugas ............................................................: IRRM

- Corriente de mantenimiento ..........................................................: IH

Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:
- Temperatura de la unión ................................................................: Tj
- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg
- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: Rc-d
- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: Rj-c
- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: Rj-a

- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Zj-c

3.2 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.


Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes características:

-Tensión directa máx. ....................................................................: VGFM

- Tensión inversa máx. ...................................................................: VGRM

- Corriente máxima..........................................................................: IGM

- Potencia máxima ..........................................................................: PGM

- Potencia media .............................................................................: PGAV

- Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: VGT

- Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: VGNT

- Corriente de puerta para el encendido ...........................................: IGT

- Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: IGNT

Entre los anteriores destacan:

- VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

- VGNT e IGNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.


3.2.1 Área de disparo seguro.

En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las curvas:

Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.

Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.

Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemos sobrepasar.

Figura 3. Curva características de puerta del tiristor.

El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:

  • Una caída de tensión en sentido directo más elevada.

  • Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.

4.3 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

3.3.1 Características dinámicas.

Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.
Impulsos de corriente:
- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).
- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.

Figura 4. Curva de limitación de impulsos de corriente.


Ángulos de conducción:

- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.

- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.

- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción (Figura 5):

ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo

- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias.

Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.

3.3.2 Características de conmutación.

Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho.

3.3.2.1 Tiempo de encendido (Ton):

Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos partes (Figura 6):


Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo. Depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (td disminuye si estas magnitudes aumentan).


Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.

Ton = td + tr

Figura 6. Tiempo de encendido.

3.3.2.2 Tiempo de apagado (Toff):


Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte.
Se divide en dos partes (Figura 7):

Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.


Tiempo de recuperación de puerta (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta recupere su capacidad de gobierno.

Toff = trr + tgr

Figura 7. Tiempo de apagado.

La extinción del tiristor se producirá por dos motivos: reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo.

3.4 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.

Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez provoca un aumento de la temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.


Principio de Funcionamiento

Tensión de ánodo negativa respecto a cátodo (VAK <>

Los diodos U1 y U3 quedan polarizados en inverso y U2 en directo. La corriente del diodo viene dada por:


Métodos de disparo:

Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.

Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:

  • Por puerta.
  • Por módulo de tensión. (V)
  • Por gradiente de tensión (dV/dt)
  • Disparo por radiación.
  • Disparo por temperatura.

El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados, por lo que los evitaremos en la medida de lo posible.

  • Disparo por puerta

Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.

Una vez disparado el dispositivo, perdemos el control del mismo por puerta. En estas condiciones, si queremos bloquearlo, debemos hacer que VAK <>

  • Disparo por módulo de tensión

Este método podemos desarrollarlo basándonos en la estructura de un transistor: si aumentamos la tensión colector - emisor, alcanzamos un punto en el que la energía de los portadores asociados a la corriente de fugas es suficiente para producir nuevos portadores en la unión de colector, que hacen que se produzca el fenómeno de avalancha. N

Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobretensiones anormales en los equipos electrónicos.

  • Disparo por gradiente de tensión

Si a un tiristor se le aplica un escalón de tensión positiva entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto, los portadores sufren un desplazamiento para hacer frente a la tensión exterior aplicada. La unión de control queda vacía de portadores mayoritarios; aparece una diferencia de potencial elevada, que se opone a la tensión exterior creando un campo eléctrico que acelera fuertemente a los portadores minoritarios produciendo una corriente de fugas.

  • Disparo por radiación

La acción de la radiación electromagnética de una determinada longitud de onda provoca la elevación de la corriente de fugas de la pastilla por encima del valor crítico, obligando al disparo del elemento.

Los tiristores fotosensibles (llamados LASCR o Light Activated SCR) son de pequeña potencia y se utilizan como elementos de control todo - nada.

  • Disparo por temperatura

El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a 1+a 2) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.

Condiciones necesarias para el control de un SCR

Disparo

  • Polarización positiva ánodo - cátodo.
  • La puerta debe recibir un pulso positivo (respecto a la polarización que en ese momento tengamos en el cátodo) durante un tiempo suficiente como para que IA sea mayor que la intensidad de enganche.

Corte

  • Anular la tensión que tenemos aplicada entre ánodo y cátodo.
  • Incrementar la resistencia de carga hasta que la corriente de ánodo sea inferior a la corriente de mantenimiento (IH), o forzar a que IA <>

Tensión de ánodo positiva respecto a cátodo (VAK > 0), con excitación de puerta:

El tiristor, idealmente, se comporta como un cortocircuito (VAK del orden de 1 a 2 V).

Modelo de dos transistores:

Si ahora operamos en el circuito de forma que la suma ((a 1+ a 2) sea menor que 1, el dispositivo estará en estado OFF, manteniéndose la IA muy pequeña.

Si aumentamos IG, la corriente de ánodo tiende a incrementarse y por tanto, tiende a aumentar a 1 y a 2 produciéndose un efecto de realimentación positiva. De aquí podemos deducir los dos tipos de disparo del SCR:

1.- Por tensión suficientemente elevada aplicada entre A – K, lo que provocaría que éste entrara en conducción por efecto de "avalancha";

2.- Por intensidad positiva de polarización en la puerta.

Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas.