El SCR y el TRIAC

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Este artículo trata de los dos más importantes componentes electrónicos de conmutación. Un SCR o TIRISTOR (thyristor en inglés) es un componente electrónico rectificador de estado sólido.

1-QUÉ ES

Este artículo trata de los dos más importantes componentes electrónicos de conmutación. Un SCR o TIRISTOR (thyristor en inglés) es un componente electrónico rectificador de estado sólido de 3 terminales: ánodo (A), cátodo (K) y un electrodo de control denominado puerta (G, gate), desarrollado por la General Electric (U.S.A.) en 1957 (10 años después de la invención del transistor bipolar de unión).

Es un dispositivo rectificador unidireccional (es decir, que deja circular la corriente eléctrica en un solo sentido: desde A hacia K como un diodo rectificador semiconductor), pero además del estado "on" (cerrado, conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: "off" (cortado, abierto, sin conducir). Si el voltaje VGK entre G y K es el adecuado, conduce desde A hacia K.

Su nombre "SCR" (Silicon Controlled Rectifier) proviene de ser como un rectificador de silicio, pero controlado a través de G. Es la versión en estado sólido de las antiguas válvulas termoiónicas llamadas thyratron, y de ahí su nombre "thyristor": thyratron y transistor.

La versión para corriente alterna (AC, Altern Current) del tiristor es el TRIAC. Mientras que el tiristor es un diodo controlado y por lo tanto, en general se utiliza en circuitos de control de corriente continua (DC, Direct Current), el triac es como un tiristor bidireccional, para utilizar en circuitos AC.

Los terminales del triac en vez de K y A se denominan "terminal principal 1" (Main Terminal 1, MT1) y "terminal principal 2" (MT2), o simplemente "terminales 1 y 2", T1 y T2 (El electrodo de control también se denomina puerta, G, como en el tiristor).

Si el voltaje VG1 entre G y T1 es suficientemente positivo, en el primer semiciclo AC con VAK positivo (sentido "directo" o forward) conduce desde T2 hacia T1 (como lo haría un tiristor). Pero en el otro semiciclo VAK negativo (sentido "inverso" o reverse), si el voltaje VG1 es suficientemente negativo, el triac también conduce al revés, desde T1 hacia T2.

En la Figura siguiente se muestra el símbolo del SCR y el símbolo del triac, en circuitos básicos donde una fuente DC y otra AC "alimentan" a una carga a través del respectivo dispositivo de conmutación.
En la parte inferior derecha se muestran dos tiristores conectados en "anti-paralelo" (back-to-back), indicando que la función del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese modo.


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Fig. 1: Se muestran los símbolos del thyristor y del triac en 2 esquemas básicos, donde una fuente DC y otra AC alimentan una carga a través de estos dispositivos de conmutación (se han omitido los circuitos de disparo).

2-PARA QUÉ SIRVE

Además de la función de rectificación controlada del tiristor, éste y el triac sirven como dispositivos de conmutación de estado sólido en DC y en AC respectivamente. Es decir, son como interruptores (switches) pero compactos y pequeños, sin calefactor y de bajo consumo, rápidos y silenciosos, sin partes móviles ni contactos electromecánicos, sin chispas ni necesidad de mantención, y que además pueden controlarse electrónica y ópticamente.

Estos componentes se utilizan en circuitos muy diferentes, como por ejemplo controles de velocidad de motores, regulador de intensidad de iluminación de ampolletas (dimmers y luces "psicodélicas"), para activar sistemas de protección, o en convertidores de voltaje para viajes, cargadores de baterías, magnetizadores de imanes, relays de estado sólido (SSRs), controles de temperatura de hornos y de potencia de calefactores.

3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

El tamaño de un SCR o de un TRIAC puede ser relativamente pequeño o grande, ya que como en el caso de los transistores y los circuitos integrados en general, el encapsulado (que es lo que vemos desde fuera) varía según la potencia que deban disipar y la corriente máxima de trabajo que deban tolerar. Hay algunos enormes, para más de 1500 A, de diámetros entre 5 y 10 cm y con cátodos y ánodos del grosor de un dedo. Estos pueden costar unos USD 1000 o más! Otros, en cambio, son pequeños (menos de 1 cm3), muy económicos (menos de USD 2), y operan con corrientes menores que 5A o disipando menos de 5W.

El triac BT 136-600 en encapsulado TO220 que se muestra en la Figura siguiente (sobre la esquina superior derecha de la página de un libro), cuesta unos USD 2, tiene una masa de 2g, mide menos de 3 cm de largo, y conduce hasta 4 A, en circuitos AC con voltaje de red V RMS = 380V.


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Fig. 2: Triac BT 136-600 sobre un manual Motorola de dispositivos de disparo y de conmutación.

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Como los diodos semiconductores de silicio, los SCRs y los TRIACs se construyen con diferentes estructuras de materiales semiconductores tipo-p, de silicio (Si) dopado con elementos del Grupo III-A como el aluminio (Al), galio (Ga) o indio (In), y tipo-n, de Si dopado con elementos del Grupo V-A como fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb).

Un diodo rectificador de unión n-p está formado por una unión de 2 capas, una tipo-n (el K) y otra tipo-p (el A). La física del diodo está en la unión y en la distribución de portadores en cada material. Pero el SCR es más complejo, y está hecho con 4 capas pnpn de semiconductores: tipo-p (el A), tipo-n, tipo-p (la G) y tipo-n (el K). En el centro de la siguiente Figura se puede ver un diagrama esquemático de su estructura. Tres capas forman un sandwich: tipo-p (el A), tipo-n y tipo-p. Finalmente, el K se construye difundiendo material tipo-n sobre la última capa tipo-p, y G se conecta muy cerca de K, sobre la misma capa de material tipo-p.

El TRIAC está hecho de forma análoga a dos tiristores puestos en antiparalelo, como si fuese un dispositivo de 5 capas npnpn de semiconductores. Su estructura central es un sandwich: tipo-p, tipo-n y tipo-p, como el tiristor. Pero el material tipo-n se difunde sobre ambas capas tipo-p, para que funcionen como cátodos K en cada uno de los sentidos de conducción. El MT2 se conecta a una capa tipo-p y a la tipo-n difundida sobre ella. En el otro extremo, se hace lo mismo con el MT1. Y el G también está en contacto con la capa tipo-p y una porción de tipo-n difundida sobre ella.


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Fig. 3: Símbolo del thyristor, su estructura, y un modelo con 2 transistores bipolares de unión.

4-CÓMO FUNCIONA

Se considera separadamente:

(a) Cómo conmuta

(b) Causas más importantes de disparo

(c) Principales componentes de disparo


(a) Cómo conmuta

El funcionamiento del tiristor se puede entender como un circuito implementado por dos transistores bipolares de unión (BJTs) (ver Fig. anterior), en los que hay que tener en cuenta las siguientes 2 características:

(I) Cuando a un BJT pnp de Si se le aplica un voltaje VBE (entre base B y emisor E) suficientemente negativo (superando el umbral de -0.6 V), o cuando a un BJT npn de Si se le aplica un voltaje VBE suficientemente positivo (superando el umbral de +0.6 V), el transistor "se dispara", i.e. conmuta de off a on en saturación (conduce toda la corriente que el circuito y él mismo permitan), desde el emisor E hacia el colector C en el pnp, o desde C hacia E en el npn.

(II) Un BJT amplifica la corriente de base IB en un factor dado aproximadamente por el parámetro denominado "β (beta) del transistor" (o "ganancia de corriente"). Es decir que la corriente de colector es ICβ IB, donde β depende de la misma corriente IC.

Ahora bien, supóngase que se tiene un TIRISTOR al que inicialmente solo se le aplica un voltaje VAK > 0 V. Si se considera al tiristor como un transistor Tr1 npn de ganancia β1 conectado con un transistor Tr2 pnp de ganancia β2 como se esquematiza a la derecha de la Figura anterior, se observa que:

(i) Inicialmente no hay conducción (IA = 0 A; tiristor abierto, off).

(ii) Cuando se aplica un voltaje VGK de G a K suficientemente positivo (VBE1 > 0.6V), una corriente de puerta IG (≈ IB1) dispara al tiristor, comenzando la conducción desde A hacia K (conmuta de off a on; tiristor cerrado).

(iii) Entonces, después del disparo, cuando IG = 0 A, es IB1 = IC2β2IB2. Pero como IB2IC1β1IB1, se ve que las corrientes del dispositivo se ajustan para que β1 β2 ≈ 1, y por lo tanto la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IAIE2 = IC2+IB2 ≈ (β1+1) IB1.

(iv) Mientras haya voltaje VAK desde A hacia K suficientemente positivo, seguirá existiendo corriente IA (aunque IG = 0 A), ya que la corriente de colector del Tr2 mantiene alimentada la base del Tr1; y ésta es la clave de su funcionamiento: El SCR comienza a conducir desde A hacia K por la señal que hubo en G


El funcionamiento del TRIAC en cada semiciclo AC, está basado en el funcionamiento del tiristor en DC. El triac puede estudiarse como dos tiristores conectados en anti-paralelo, pero con un solo electrodo de control G. De hecho, en circuitos de potencia para corrientes AC superiores a 700 A, suelen implementarse dos tiristores (ya que no existen triacs de tanta capacidad).


En la Figura siguiente se muestran las correspondientes curvas características que resumen el comportamiento de estos elementos de conmutación:

SCR: Curva IA vs. VAK (corriente de ánodo versus voltaje ánodo-cátodo)

TRIAC: Curva I2 vs. V21 (corriente en el MT2 versus voltaje entre MT2 y MT1)

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Fig. 4: Curvas características de un thyristor y de un triac.

La zona de corte y saturación (on-off), se encuentra en el cuadrante I para el dispositivo unidireccional (SCR) y en los cuadrantes I y III para el bidireccional (triac). Se observa que el voltaje principal debe llegar a un cierto valor para producir el disparo. Este valor cambia según las condiciones en la puerta (intensidad y forma de IG y de VGK o VG1). Una vez disparado, el voltaje entre A y K (o entre MT2 y MT1) disminuye al valor de conducción VON, que es de unos pocos volt (Sería "0 V" en un interruptor ideal o perfecto). Despreciando la disipación en la puerta, este voltaje residual multiplicado por la corriente principal determina la potencia que el encapsulado del componente debe disipar:

PDVAKIA para el tiristor, y PDV21I2 para el triac.


En la curva característica del SCR también se ve (en el cuadrante III) una corriente inversa de fuga, y para un valor alto de voltaje inverso, la zona de ruptura donde se destruiría el dispositivo.

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