Tiristor

Un tiristor () es un dispositivo semiconductor de estado sólido con cuatro capas de materiales de tipo P y N alternados que se utiliza para aplicaciones de alta potencia. Actúa exclusivamente como un interruptor biestable (o pestillo), conduciendo cuando la compuerta recibe un disparo de corriente y continúa conduciendo hasta que el voltaje a través del dispositivo tiene polarización inversa, o hasta que se elimina el voltaje (por algún otro medio). Hay dos diseños, que difieren en lo que desencadena el estado de conducción. En un tiristor de tres conductores, una pequeña corriente en su conductor de puerta controla la corriente más grande de la ruta de ánodo a cátodo. En un tiristor de dos conductores, la conducción comienza cuando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es suficientemente grande (tensión de ruptura).

Algunas fuentes definen el rectificador controlado por silicio (SCR) y el tiristor como sinónimos. Otras fuentes definen a los tiristores como dispositivos más complejos que incorporan al menos cuatro capas de sustrato alternado de tipo N y tipo P.

Los primeros dispositivos de tiristores se lanzaron comercialmente en 1956. Debido a que los tiristores pueden controlar una cantidad relativamente grande de energía y voltaje con un dispositivo pequeño, encuentran una amplia aplicación en el control de la energía eléctrica, desde atenuadores de luz y control de velocidad de motores eléctricos hasta transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje. Los tiristores se pueden usar en circuitos de conmutación de potencia, circuitos de reemplazo de relés, circuitos inversores, circuitos osciladores, circuitos detectores de nivel, circuitos interruptores, circuitos de atenuación de luz, circuitos temporizadores de bajo costo, circuitos lógicos, circuitos de control de velocidad, circuitos de fase. circuitos de control, etc. Originalmente, los tiristores dependían solo de la inversión de corriente para apagarlos, lo que dificultaba su aplicación para corriente continua; los tipos de dispositivos más nuevos se pueden encender y apagar a través de la señal de la puerta de control. Este último se conoce como tiristor de apagado de puerta o tiristor GTO. A diferencia de los transistores, los tiristores tienen una característica de conmutación de dos valores, lo que significa que un tiristor solo puede estar completamente encendido o apagado, mientras que un transistor puede estar entre los estados de encendido y apagado. Esto hace que un tiristor no sea adecuado como amplificador analógico, pero sí útil como interruptor.

Introducción

El tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas y tres terminales, cada una de las cuales consta de material de tipo N o tipo P alternativo, por ejemplo, P-N-P-N. Los terminales principales, etiquetados como ánodo y cátodo, se encuentran en las cuatro capas. La terminal de control, llamada puerta, está unida al material tipo p cerca del cátodo. (Una variante llamada SCS, interruptor controlado por silicio, lleva las cuatro capas a los terminales). El funcionamiento de un tiristor se puede entender en términos de un par de transistores de unión bipolar estrechamente acoplados, dispuestos para provocar una acción de autobloqueo:

Estructura en el nivel físico y electrónico, y el símbolo tiristor.

Los tiristores tienen tres estados:

1. Modo de bloqueo inverso – El voltaje se aplica en la dirección que sería bloqueada por un diodo
2. Modo de bloqueo anticipado – El voltaje se aplica en la dirección que causaría un diodo para conducir, pero el turistor no ha sido activado en la conducción
3. Modo de conducción anticipada – El tiristor ha sido activado en la conducción y seguirá llevando a cabo hasta que la corriente de avance caiga por debajo de un valor umbral conocido como "la corriente de retención"

Función del terminal de puerta

El tiristor tiene tres uniones p-n (denominadas en serie J₁, J₂, J₃ del ánodo).

Esquema de capa de turistor.

Cuando el ánodo está a un potencial positivo V_AK con respecto al cátodo sin voltaje aplicado en la puerta, las uniones J₁ y J₃ tienen polarización directa, mientras que la unión J₂ tiene polarización inversa. Como J₂ tiene polarización inversa, no se produce conducción (estado desactivado). Ahora bien, si V_AK aumenta más allá del voltaje de ruptura V_BO del tiristor, la ruptura de avalancha de J₂ tiene lugar y el tiristor comienza a conducir (estado On).

Si se aplica un potencial positivo V_G en el terminal de la puerta con respecto al cátodo, se produce la ruptura de la unión J₂ a un valor menor de V_AK. Al seleccionar un valor apropiado de V_G, el tiristor se puede cambiar rápidamente al estado de encendido.

Una vez que se ha producido la ruptura por avalancha, el tiristor continúa conduciendo, independientemente del voltaje de puerta, hasta que: (a) se elimine el potencial V_AK o (b) la corriente a través del dispositivo (ánodo-cátodo) se vuelve menor que la corriente de retención especificada por el fabricante. Por lo tanto, V_G puede ser un pulso de voltaje, como la salida de voltaje de un oscilador de relajación UJT.

Los pulsos de puerta se caracterizan en términos de voltaje de activación de puerta (V_GT) y corriente de activación de puerta (I_GT). La corriente del disparador de la puerta varía inversamente con el ancho del pulso de la puerta de tal manera que es evidente que se requiere una carga mínima de la puerta para disparar el tiristor.

Características de conmutación

V – I características.

En un tiristor convencional, una vez que ha sido encendido por el terminal de puerta, el dispositivo permanece bloqueado en el estado activado (es decir, no necesita un suministro continuo de corriente de puerta para permanecer en el estado de encendido). encendido), siempre que la corriente del ánodo haya excedido la corriente de enganche (I_L). Siempre que el ánodo permanezca polarizado positivamente, no se puede apagar a menos que la corriente caiga por debajo de la corriente de mantenimiento (I_H). En condiciones normales de trabajo, la corriente de bloqueo siempre es mayor que la corriente de mantenimiento. En la figura anterior I_L tiene que estar por encima de I_H en el eje y desde I _L>I_H.

Un tiristor se puede apagar si el circuito externo hace que el ánodo se polarice negativamente (un método conocido como conmutación natural o de línea). En algunas aplicaciones, esto se hace cambiando un segundo tiristor para descargar un capacitor en el ánodo del primer tiristor. Este método se llama conmutación forzada.

Una vez que la corriente a través del tiristor cae por debajo de la corriente de mantenimiento, debe haber un retraso antes de que el ánodo pueda polarizarse positivamente y retener el tiristor en estado desactivado. Este retraso mínimo se denomina tiempo de apagado conmutado del circuito (t_Q). Intentar polarizar positivamente el ánodo dentro de este tiempo hace que el tiristor se dispare automáticamente por los portadores de carga restantes (huecos y electrones) que aún no se han recombinado.

Para aplicaciones con frecuencias superiores a la red eléctrica doméstica de CA (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz), se requieren tiristores con valores más bajos de t_Q. Estos tiristores rápidos se pueden fabricar mediante la difusión de iones de metales pesados como el oro o el platino, que actúan como centros de combinación de carga en el silicio. Hoy en día, los tiristores rápidos suelen fabricarse mediante irradiación de electrones o protones del silicio, o mediante implantación de iones. La irradiación es más versátil que el dopaje con metales pesados porque permite ajustar la dosis en pasos finos, incluso en una etapa bastante avanzada del procesamiento del silicio.

Historia

El rectificador controlado por silicio (SCR) o tiristor propuesto por William Shockley en 1950 y defendido por Moll y otros en Bell Labs fue desarrollado en 1956 por ingenieros de energía en General Electric (G.E.), dirigidos por Gordon Hall y comercializados por G.E.& #39;s Frank W. 'Bill' Gutzwiller. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos reconoció la invención colocando una placa en el sitio de la invención en Clyde, NY y declarándola Hito Histórico IEEE.

Un banco de seis 2000 Un tiristor (discos blancos dispuestos en una fila en la parte superior, y visto borde-on)

Etimología

Un dispositivo de tubo lleno de gas anterior llamado tiratrón proporcionaba una capacidad de conmutación electrónica similar, donde un pequeño voltaje de control podía cambiar una gran corriente. Es de una combinación de "THYRatron" y "transISTOR" que el término "tiristor" es derivado.

Aplicaciones

Waveforms en un circuito rectificado de múltiples tiristor controlando una corriente AC.
Rastreo rojo: tensión de carga (salida)
Rastreo azul: tensión de gatillo.

Los tiristores se usan principalmente cuando hay corrientes y voltajes altos, y a menudo se usan para controlar corrientes alternas, donde el cambio de polaridad de la corriente hace que el dispositivo se apague automáticamente, lo que se conoce como "cruce por cero" 34; operación. Se puede decir que el dispositivo funciona sincrónicamente; siendo que, una vez que se activa el dispositivo, conduce la corriente en fase con el voltaje aplicado sobre su unión de cátodo a ánodo sin que se requiera más modulación de puerta, es decir, el dispositivo está polarizado completamente. Esto no debe confundirse con la operación asimétrica, ya que la salida es unidireccional, fluyendo solo del cátodo al ánodo, por lo que es de naturaleza asimétrica.

Los tiristores se pueden utilizar como elementos de control para los controladores activados por ángulo de fase, también conocidos como controladores activados por fase.

También se pueden encontrar en fuentes de alimentación para circuitos digitales, donde se utilizan como una especie de "disyuntor mejorado" para evitar que una falla en la fuente de alimentación dañe los componentes aguas abajo. Se usa un tiristor junto con un diodo Zener conectado a su compuerta, y si el voltaje de salida de la fuente aumenta por encima del voltaje Zener, el tiristor conducirá y cortocircuitará la salida de la fuente de alimentación a tierra (en general, también activará un circuito aguas arriba). disyuntor o fusible). Este tipo de circuito de protección se conoce como palanca y tiene la ventaja sobre un disyuntor o fusible estándar en el sentido de que crea una ruta de alta conductancia a tierra para el voltaje de suministro dañino y, potencialmente, para la energía almacenada en el sistema alimentado.

La primera aplicación a gran escala de tiristores, con diac de disparo asociado, en productos de consumo relacionados con fuentes de alimentación estabilizadas dentro de receptores de televisión en color a principios de la década de 1970. El suministro de CC de alto voltaje estabilizado para el receptor se obtuvo moviendo el punto de conmutación del dispositivo de tiristores hacia arriba y hacia abajo en la pendiente descendente de la mitad positiva de la entrada de suministro de CA (si se usara la pendiente ascendente, el voltaje de salida siempre aumentaría hacia el voltaje de entrada pico cuando se activó el dispositivo y, por lo tanto, frustra el objetivo de la regulación). El punto de conmutación preciso fue determinado por la carga en el suministro de salida de CC, así como por las fluctuaciones de entrada de CA.

Los tiristores se han utilizado durante décadas como atenuadores de luz en televisión, películas y teatro, donde reemplazaron tecnologías inferiores como autotransformadores y reóstatos. También se han utilizado en fotografía como parte fundamental de los flashes (luces estroboscópicas).

Circuitos amortiguadores

Los tiristores pueden ser activados por una alta tasa de aumento de voltaje fuera de estado. Al aumentar el voltaje de estado desactivado en el ánodo y el cátodo del tiristor, habrá un flujo de cargas similar a la corriente de carga de un capacitor. La tasa máxima de aumento del voltaje de estado desactivado o clasificación dV/dt de un tiristor es un parámetro importante, ya que indica la tasa máxima de aumento del voltaje del ánodo que no lleva al tiristor a la conducción cuando no se aplica una señal de puerta. Cuando el flujo de cargas debido a la tasa de aumento del voltaje fuera de estado a través del ánodo y el cátodo del tiristor se vuelve igual al flujo de cargas inyectadas cuando la compuerta está energizada, entonces conduce a una activación aleatoria y falsa del tiristor que no es deseada..

Esto se evita conectando un circuito amortiguador de resistencia-capacitor (RC) entre el ánodo y el cátodo para limitar el dV/dt (es decir, la tasa de cambio de voltaje con el tiempo). Los amortiguadores son circuitos de absorción de energía que se utilizan para suprimir los picos de voltaje causados por la inductancia del circuito cuando se abre un interruptor, eléctrico o mecánico. El circuito amortiguador más común es un capacitor y una resistencia conectados en serie a través del interruptor (transistor).

Transmisión de electricidad HVDC

Valve hall que contiene válvula turistor pilas utilizados para la transmisión de energía a larga distancia de las presas Manitoba Hydro

Dado que los tiristores modernos pueden cambiar la energía en la escala de megavatios, las válvulas de tiristor se han convertido en el corazón de la conversión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) a o desde corriente alterna. En el ámbito de esta y otras aplicaciones de muy alta potencia, los tiristores activados eléctricamente (ETT) y activados por luz (LTT) siguen siendo la opción principal. Los tiristores están dispuestos en un circuito de puente de diodos y para reducir los armónicos se conectan en serie para formar un convertidor de 12 pulsos. Cada tiristor se enfría con agua desionizada y todo el arreglo se convierte en uno de múltiples módulos idénticos que forman una capa en una pila de válvulas multicapa llamada válvula cuádruple. Tres de estas pilas normalmente se montan en el suelo o se cuelgan del techo de la sala de válvulas de una instalación de transmisión de larga distancia.

Comparaciones con otros dispositivos

TRIAC

La desventaja funcional de un tiristor es que, al igual que un diodo, solo conduce en una dirección, por lo que no se puede usar de manera segura con corriente alterna. Un dispositivo similar de 5 capas con bloqueo automático, llamado TRIAC, puede funcionar en ambas direcciones. Sin embargo, esta capacidad adicional también puede convertirse en un déficit. Debido a que el TRIAC puede conducir en ambas direcciones, las cargas reactivas pueden hacer que no se apague durante los instantes de voltaje cero del ciclo de alimentación de CA. Debido a esto, el uso de TRIAC con (por ejemplo) cargas de motor fuertemente inductivas generalmente requiere el uso de un "amortiguador" circuito alrededor del TRIAC para asegurar que se apagará con cada medio ciclo de alimentación de red. Los SCR paralelos inversos también se pueden usar en lugar del triac; debido a que cada SCR en el par tiene un semiciclo completo de polaridad inversa aplicado, los SCR, a diferencia de los TRIAC, seguramente se apagarán. El "precio" Sin embargo, lo que hay que pagar por esta disposición es la complejidad añadida de dos circuitos de activación separados, pero esencialmente idénticos.

MOSFET e IGBT de potencia

Aunque los tiristores se usan mucho en la rectificación de CA a CC a escala de megavatios, en aplicaciones de baja y media potencia (desde unas pocas decenas de vatios hasta unas pocas decenas de kilovatios) prácticamente han sido reemplazados por otros dispositivos con características de conmutación superiores. como MOSFET de potencia o IGBT. Un problema importante asociado con los SCR es que no son interruptores totalmente controlables. El tiristor GTO y el IGCT son dos dispositivos relacionados con el tiristor que abordan este problema. En aplicaciones de alta frecuencia, los tiristores son malos candidatos debido a los largos tiempos de conmutación que surgen de la conducción bipolar. Los MOSFET, por otro lado, tienen una capacidad de conmutación mucho más rápida debido a su conducción unipolar (solo la mayoría de los portadores transportan la corriente).

Modos de falla

Los fabricantes de tiristores generalmente especifican una región de disparo seguro que define los niveles aceptables de voltaje y corriente para una temperatura de funcionamiento dada. El límite de esta región está determinado en parte por el requisito de que no se exceda la potencia de puerta máxima permitida (P_G), especificada para una duración de pulso de disparo dada.

Además de los modos de falla habituales debido a valores nominales de voltaje, corriente o potencia superiores, los tiristores tienen sus propios modos de falla particulares, que incluyen:

• Gire en di/dt – en el que la tasa de aumento de la corriente en el estado después de desencadenar es mayor de lo que puede ser soportada por la velocidad de propagación del área de conducción activa (SCRs & triacs).
• Comutación forzada – en la que la corriente de recuperación inversa del pico transitorio provoca una caída de alto voltaje en la región de sub-cathode que supera el voltaje de descomposición inversa de la unión de diodo de la puerta cathode (SCRs only).
• Enciende el dv/dt – el tiristor puede ser disparado con espuros sin desencadenar desde la puerta si el anode-a-cathode tensión de subida es demasiado grande.

Tiristores de carburo de silicio

En los últimos años, algunos fabricantes han desarrollado tiristores utilizando carburo de silicio (SiC) como material semiconductor. Estos tienen aplicaciones en ambientes de alta temperatura, siendo capaces de operar a temperaturas de hasta 350 °C.

Tipos

• ACS
• ACST
• AGT – Anode Gate Thyristor – Un turistor con puerta en capa de tipo n cerca del ánodo
• ASCR – SCR asimétrico
• BCT – Control bidireccional Thyristor – Un dispositivo de conmutación bidireccional que contiene dos estructuras tiristorónicas con contactos de puerta separados
• BOD – Diodo de ruptura – Un turistor sin puerta desencadenado por la corriente avalancha
  • DIAC – Dispositivo de activación bidireccional
  • Dynistor – Dispositivo de conmutación unidireccional
  • Diodo Shockley – Dispositivo de activación y conmutación unidireccional
  • OSC – Dispositivo de conmutación bidireccional
  • Trisil, SIDACtor – Dispositivos de protección bidireccional
• BRT – Resistencia de Base Controlada Tiristor
• ETO – Emitter Turn-Off Thyristor
• GTO – Gate Turn-Off turistor
  • DB-GTO – Desvío de la puerta del amortiguador distribuido turistor
  • MA-GTO – Puerta de ánodo modificada desvío de tiristor
• IGCT – Tusristorresor integrado
• Ignitor – Generadores de chispa para circuitos de bomberos
• LASCR – SCR activado por la luz, o LTT – tiristor entristecido
• LASS – Interruptor semiconductor activado por luz
• MCT – MOSFET Controlled Thyristor – Contiene dos estructuras FET adicionales para el control on/off.
• CSMT o MCS – MOS inducción estática compuesta turistor
• PUT o PUJT – Transistor de unión programable – Un turistor con puerta en capa de tipo n cerca del ánodo utilizado como reemplazo funcional para transistor de unijunción
• RCT – Realización inversa de Thyristor
• SCS – Interruptor Controlado de Silicio o Tiristor Tetrode – Un turistor con puertas de catodio y ánodo
• SCR – Rectificador de silicona
• SITh – Inducción Estatica Tiristor, o FCTh – Campo Controlado Tiristor – que contiene una estructura de puerta que puede apagar el flujo de corriente.
• TRIAC – Triode for Alternating Current – Un dispositivo de conmutación bidireccional que contiene dos estructuras tiristorónicas con contacto de puerta común
• Quadrac – tipo especial de turistor que combina un DIAC y un TRIAC en un solo paquete.

Tiristor de conducción inversa

Un tiristor de conducción inversa (RCT) tiene un diodo inverso integrado, por lo que no es capaz de realizar un bloqueo inverso. Estos dispositivos son ventajosos cuando se debe usar un diodo inverso o de rueda libre. Debido a que el SCR y el diodo nunca conducen al mismo tiempo, no producen calor simultáneamente y pueden integrarse y enfriarse juntos fácilmente. Los tiristores de conducción inversa se utilizan a menudo en variadores de frecuencia e inversores.

Fototiristores

Símbolo electrónico para SCR activado por luz (LASCR)

Los fototiristores se activan con la luz. La ventaja de los fototiristores es su insensibilidad a las señales eléctricas, lo que puede provocar un funcionamiento defectuoso en entornos eléctricamente ruidosos. Un tiristor activado por luz (LTT) tiene una región ópticamente sensible en su compuerta, en la que la radiación electromagnética (generalmente infrarroja) se acopla mediante una fibra óptica. Dado que no es necesario proporcionar placas electrónicas al potencial del tiristor para activarlo, los tiristores activados por luz pueden ser una ventaja en aplicaciones de alto voltaje como HVDC. Los tiristores activados por luz están disponibles con protección contra sobrevoltaje (VBO) incorporada, que activa el tiristor cuando el voltaje directo a través de él es demasiado alto; también se han fabricado con una protección de recuperación avanzada incorporada, pero no comercialmente. A pesar de la simplificación que pueden aportar a la electrónica de una válvula HVDC, los tiristores activados por luz aún pueden requerir una electrónica de monitoreo simple y solo están disponibles a través de unos pocos fabricantes.

Dos fototiristores comunes incluyen el SCR activado por luz (LASCR) y el TRIAC activado por luz. Un LASCR actúa como un interruptor que se enciende cuando se expone a la luz. Después de la exposición a la luz, cuando la luz está ausente, si no se quita la energía y las polaridades del cátodo y el ánodo aún no se han invertido, el LASCR todavía está en el estado 'encendido'. estado. Un TRIAC activado por luz se asemeja a un LASCR, excepto que está diseñado para corrientes alternas.