Los tiristores conforman una familia de dispositivos electrónicos ampliamente utilizados en aplicaciones de control de potencia. En este artículos veremos algunos de sus integrantes, sus características mas importantes y sus aplicaciones.
Introducción
En los circuitos electrónicos de potencia, como los que se emplean para el control de motores en máquinas o vehículos, en la rectificación controlada para aplicaciones industriales, en las UPS o inversores que generan corriente alterna a partir de continua, los dispositivos de control no funcionan de manera lineal como el transistor de un amplificador de audio porque eso lo expondría a valores elevados de tensión y corriente de manera simultánea lo que implicaría potencias muy altas difíciles de soportar.
Recuerda que la potencia es el producto de la tensión (V) por la corriente (I):
P = V \times I
En un circuito de potencia si por el dispositivo de control circula una corriente de 1A, que es un valor pequeño, pero en los bornes de ese dispositivo hay una tensión de 1000 Voltios, la potencia será:
P = 1000V \times 1A = 1000 Watts
Una potencia de 1000 Watts es un valor muy elevado y difícil de manejar en un semiconductor.
En cambio, estos dispositivos funcionan en general como interruptores, que pueden estar cerrados (en conducción) o abiertos (bloqueados).
En estas condiciones se tienen elevadas corrientes pero tensiones pequeñas en el primer caso y tensiones elevadas pero corrientes casi despreciables en el segundo, manteniendo así la potencia en valores manejables.
Potencia
Los semiconductores de potencia como diodos, transistores o tiristores no trabajan en forma lineal sino que lo hacen como interruptores abiertos o cerrados.
En la actualidad hay distintos dispositivos que se pueden utilizar para estos circuitos, como transistores MOSFET, IGBT o bipolares que han tenido un desarrollo notable en los últimos años, pero también los tiristores, que aunque son los mas antiguos y tienen un campo mas reducido de utilización, aún son una buena opción para algunas aplicaciones.
Características de los tiristores
Por tiristores se conoce a un grupo de dispositivos semiconductores de varias capas que funcionan como conmutadores para grandes potencias, requiriendo una potencia de control muy baja.
Fueron de los primeros semiconductores empleados exitosamente para controlar potencias elevadas y si bien han sido ampliamente superados en casi todos los aspectos por otros dispositivos mas modernos, aún encuentran su lugar en algunas aplicaciones debido a sus ventajas:
- Son robustos
- Son económicos
- Soportan tensiones y corrientes elevadas (miles de voltios y amperes)
Como contraparte, tambien tienen una gran desventaja:
- Funcionan a baja velocidad (aprox. hasta 100 Hz)
Tipos de tiristores
Como te contaba al principio, por tiristores se conoce a una famlia de dispositivos, cada uno con características particulares adaptadas a necesidades específicas. Veamos algunos de los mas usados:
- SCR (Rectificador Controlado de Silicio): Es el más común, que conduce la corriente en un solo sentido.
- DIAC (Diodo para Corriente Alterna): Actúa como un interruptor pasivo y generalmente se lo utiliza en combinación con otro tiristor.
- TRIAC (Triodo para Corriente Alterna): Similar al SCR pero con la capacidad de conducir corriente en las dos direcciones.
- GTO (Tiristor de Apagado por Puerta): Puede ser encendido y apagado mediante una señal en su terminal de control.
- MCT (MOS Controlled Thyristor): Similar al GTO pero añade un transistor MOSFET como elemento de control.
Veamos ahora un poco mas de cada uno de estos tiristores.
SCR
La sigla SCR proviene de Silicon Controled Rectifier, o Rectificador controlado de Silicio.
El SCR es un tiristor unidireccional, esto significa que permite la circulación de corriente en una sola dirección.
Simbología
Puedes ver dos símbolos que se usan para representar un SCR en la siguiente imagen. Como puedes apreciar se asemeja a un diodo al que se le agregó un tercer terminal.
Funcionamiento
Como un diodo, el SCR tiene un Ánodo (A) y un Cátodo (K). El terminal añadido es la Compuerta o Gate (G).
Cuando el SCR está polarizado inversamente (Ánodo mas negativo que el Cátodo) no conduce corriente (está bloqueado), pero si está polarizado en forma directa (Ánodo mas positivo que el Cátodo) puede conducir corriente siempre y cuando se inyecte una corriente por la GATE.
Una vez que el SCR empieza a conducir no se lo puede bloquear simplemente retirando la corriente de Gate. Para que deje de conducir hay interrumpir la corriente entre Ánodo y Cátodo (en realidad no es necesario hacerla cero, alcanza con que sea menor que un valor específico llamado corriente de mantenimiento IH).
En un circuito de corriente continua esta maniobra puede ser complicada y requerir de varios componentes auxiliares. En corriente alterna, el SCR simplemente deja de conducir cuando la tensión Ánodo-Cátodo disminuye por debajo de IH antes de invertir su polaridad.
Debido a la dificultad para llevarlo al estado de bloqueo en corriente continua, es mas común emplear el SCR en circuitos de CA.
El funcionamiento del SCR se puede ver en la siguiente animación. A la izquierda tenemos una fuente de CA (220 Voltios eficaces, 50 Hz) que alimenta a una lámpara y a la derecha en serie con ambas, el SCR.
En la Gate del SCR hay conectado un generador de ondas cuadradas que produce pulsos de corta duración (ciclo de trabajo del 2%) a la misma frecuencia (50 Hz) y con una tensión de 100V (un valor elevado en la práctica, pero es para que se aprecie en la imagen).
A la derecha se puede apreciar el control deslizante “Retardo” con el que voy variando la diferencia en grados entre el comienzo de la onda senoidal y el momento en que se aplica el pulso a la Gate, entre 0 y 180 grados.
En el osciloscopio se puede ver la tensión sobre la carga (la lámpara). Lo primero que se puede apreciar es que a esta tensión le faltan los semiciclos negativos. Esto es así porque el SCR es unidireccional, deja pasar la corriente en un solo sentido.
Lo otro que se puede apreciar es que el SCR conduce y deja pasar tensión recién cuando se aplica el pulso a la Gate. Mientras mas se demora el pulso con respecto al inicio de la onda de tensión, menos tensión pasa a la carga.
Hojas de datos
En la siguiente imagen puedes apreciar un fragmento de la hoja de datos (Datasheet) de un SCR, el BT151. En este caso hay tres modelos,el BT151-500R, BT151-650R y BT151-800R. Los tres soportan una corriente directa en estado de conducción de 12 Amperes eficaces (RMS) y la tensión máxima Ánodo-Cátodo es respectivamente 500, 650 y 800 Voltios.
También puedes ver que el encapsulado es TO220AB y como identificar cada terminal (A, K y Gate).
Aplicaciones
Los SCR son muy utilizados en circuitos rectificadores trifásicos de potencia ya que controlando cuanta tensión pasa a la carga, se puede variar el valor de la tensión de salida.
Encapsulados
Los SCR están disponibles en una variedad de encapsulados según la potencia que deban disipar.
En la siguiente imagen se pueden ver alguno de ellos: (1) TO-92 para menos de 1A, (2) TO-220 para corrientes de 10 o 20A, (3) tipo Perno para unos 100A, y en formato disco de Hockey o Puck (4) y módulos (5) para corrientes de centenares de amperes.
DIAC
El DIAC (Diode for Alternating Current o Diodo para Corriente Alterna) es otro miembro de la familia de los tiristores.
Simbología
Los símbolos empleados para representar un DIAC en un plano pueden verse en la siguiente imagen.
Funcionamiento
El DIAC es un dispositivo de dos terminales. Estos se denominan A1 (Ánodo 1) y A2 (Ánodo 2) y son intercambiables, es decir, lo puedes dar vuelta y funciona de la misma manera.
Para disparar el DIAC, es decir llevarlo al estado de conducción, no se usa un terminal auxiliar de Gate como en el SCR sino la propia tensión Anodo-Cátodo.
Si esta tensión está por debajo de un valor característico llamado Voltaje de Disparo (Breakover voltage), el DIAC es un como un interruptor abierto. En cambio, si se alcanza o supera este valor, el DIAC empieza a conducir y se comporta como un interruptor cerrado. Si la corriente que circula a través del DIAC disminuye por debajo de un valor mínimo, éste se vuelve a cerrar.
Lo anterior es válido tanto para un valor de tensión Ánodo Cátodo positivo como negativo, por eso el DIAC es apto para funcionar con corriente alterna.
El Voltaje de disparo varía según el modelo de DIAC, pero los valores típicos están entre 20 y 40 Voltios.
Aplicaciones
Los DIAC tienen muchas aplicaciones. Se los utiliza como protectores de sobretensión y como parte de los circuitos de disparo de SCR y TRIACs.
Hojas de datos
A continuación puedes ver un fragmento de la hoja de datos del DB3, un DIAC muy popular.
TRIAC
El nombre TRIAC proviene de “TRIode for Alternating Current” (Triodo para Corriente Alterna).
Este nombre se debe a que el TRIAC es un dispositivo semiconductor de tres terminales que puede controlar el flujo de corriente en ambos sentidos (bidireccional) en circuitos de corriente alterna (AC).
Simbología
El símbolo para representar un TRIAC es similar al del DIAC sólo que se le añade un tercer terminal llamado Gate o Compuerta para controlar el disparo.
Funcionamiento
Al igual que el SCR, el TRIAC es un dispositivo de tres terminales. Esto se denominan A1 (Ánodo 1), A2 (Ánodo 2) y Gate (G).
El funcionamiento es básicamente el mismo que el del SCR, sólo que el TRIAC es capaz de conducir la corriente en los dos sentidos:
En ausencia de una señal en el terminal Gate, el TRIAC se mantiene en un estado de bloqueo, impidiendo el paso de corriente entre A1 y A2.
Cuando se aplica una señal de corriente adecuada al terminal Gate, el TRIAC pasa al estado de conducción, con lo que circula corriente entre A1 y A2. Esta señal de disparo puede ser positiva o negativa, permitiendo el encendido del dispositivo en cualquiera de los dos semiciclos de la corriente alterna.
Una vez disparado, el TRIAC permite el flujo de corriente entre A1 y A2, permaneciendo en estado de conducción hasta que la corriente a través del dispositivo cae por debajo de un umbral mínimo (corriente de mantenimiento).
Al final de cada semiciclo de la corriente alterna, cuando la corriente a través del TRIAC se reduce a cero, el dispositivo se apaga automáticamente y vuelve a su estado de bloqueo hasta que reciba un nuevo pulso de disparo en el Gate.
Este funcionamiento se puede apreciar en la siguiente animación, donde el generador de pulsos produce el disparo del TRIAC tanto en los semiciclos positivos como negativos.
Aplicaciones
Los TRIACS son ampliamente empleados en circuitos de control de cargas de corriente alterna, control de velocidad de pequeños motores, dimmers y controles de equipos de calefacción, entre otros.
Encapsulados
Los TRIAC se pueden encontrar en distintos encapsulados según la potencia que deban controlar y son los mismos que se utilizan para los SCR (Ver Fig. 6).
Hoja de datos
A continuación puedes ver un fragmento de la hoja de datos del BTA40, un TRIAC de 40A y una tensión máxima de 600/800 Voltios.
Control por ángulo de conducción
El siguiente video muestra un circuito típico de disparo de un TRIAC empleando un DIAC, tal como se puede encontrar en un circuito de control de iluminación, por ejemplo.
En el osciloscopio puede verse la tensión en color verde y la corriente a través de la carga en amarillo.
La red formada por la resistencia y el capacitor controlan el tiempo de crecimiento de la tensión sobre el DIAC. Si la resistencia es pequeña, este tiempo también es pequeño y el DIAC se dispara enseguida, introduciendo una corriente en la Gate del TRIAC que empieza a conducir. A medida que el valor de la resistencia aumenta, se demora mas el aumento de la tensión y por tanto la conducción del DIAC, así como el disparo del TRIAC.
Esta técnica de control se denomina “Control de Fase” o “Control por ángulo de conducción“. Consiste en variar el momento dentro de cada ciclo de la corriente alterna (AC) en que el TRIAC comienza a conducir corriente. Al ajustar este ángulo, se controla la cantidad de energía entregada a la carga.
GTO
Un GTO (Gate Turn-Off Thyristor) es un tipo de tiristor que puede ser encendido y apagado por pulsos de corriente en el Gate. A diferencia de otros tiristores que requieren que la corriente de carga caiga a cero para apagarse, los GTO pueden ser apagados directamente por una señal de Gate.
Esta característica es sumamente interesante, pero tiene sus limitaciones:
- El apagado por compuerta no funciona si la corriente Anodo-Catodo sobrepasa cierto valor.
- La corriente de gate de apagado es un porcentaje de la corriente Anodo-Catodo, que puede ser tan alto como el 10%.
- Esto significa que si el tiristor controla una carga de 1000 A, la gate puede llegar a necesitar 100 A para efectuar el apagado. Esto hace que el driver sea complicado y este tipo de tiristor poco utilizado.
Simbología
Estos son dos variantes del símbolo empleado para reresentar un tiristor GTO en un plano.
MCT
El tiristor MCT (MOS-Controlled Thyristor) es un dispositivo semiconductor que combina las características de los tiristores y los transistores MOSFET. Está diseñado para ser encendido y apagado mediante señales de voltaje en la Gate, proporcionando un control eficiente y preciso en aplicaciones de alta potencia.
Funcionamiento
El MCT es esencialmente un tiristor con un MOSFET integrado en su estructura para controlar el encendido y apagado.
Cuando la Gate recibe un voltaje positivo, el tiristor se activa, permitiendo que la corriente fluya entre el ánodo y el cátodo. En cambio, al aplicar un voltaje negativo o cero a la Gate, el MCT se bloquea y se detiene la circulación de corriente.
Simbología
Este es el símbolo usado para representar un tiristor MCT:
Para aprender más
Si quieres ampliar el tema, puedes ver este video que desarrolla algunos de los conceptos que vimos en este artículo:
Conclusión
Los tiristores son dispositivos semiconductores esenciales en circuitos de potencia, utilizados en aplicaciones que requieren manejar altas corrientes y tensiones. Funcionan principalmente como interruptores, evitando las grandes potencias que resultan de manejar simultáneamente altas tensiones y corrientes. Aunque existen dispositivos más modernos como los MOSFET e IGBT, los tiristores siguen siendo valiosos por su robustez, economía y capacidad de manejar grandes potencias.
Entre los tipos más comunes de tiristores se encuentran el SCR, DIAC, TRIAC, GTO y MCT, cada uno con características específicas que los hacen adecuados para distintas aplicaciones. Los SCRs son unidireccionales y se usan principalmente en CA; los DIACs son bidireccionales y se utilizan en combinación con otros tiristores; los TRIACs permiten el control de corriente en ambos sentidos en circuitos de CA; los GTOs y MCTs ofrecen control adicional mediante señales en su gate, pero con ciertas limitaciones. Estos dispositivos siguen siendo una opción a tener en cuenta en la electrónica de potencia actual.