Las aplicaciones de los tiristores se enfocan más a la electrónica industrial, pues controlan grandes cantidades de corriente y voltaje. Sin embargo, también los podemos encontrar en los llamados "dimmer" (que son controles de iluminación para lámparas incandescentes), en el control de la potencia de una batidora de mano y hasta en el encendido de algunos dispositivos electrónicos.
¿Qué es un tiristor?
Los tiristores, cuya aparición sucedió tiempo después del desarrollo de los primeros transistores, fueron creados a partir de los transistores PNP y NPN. La palabra "tiristor" significa "puerta".
En muchas de las aplicaciones industriales, se requieren cantidades de potencia variable con el fin de controlar, por ejemplo, la intensidad de iluminación de un foco, la velocidad de un motor, el calentamiento de resistencias, etc. Y aunque tales funciones puede realizarlas un transformador variable, hay que recordar que este dispositivo es muy voluminoso, tiene un precio alto y requiere de mantenimiento constante; o sea, es poco rentable. Por esta razón se recurre a los tiristores, que eliminan dichas limitantes.
Un tiristor es un dispositivo que permite conmutar de manera muy precisa voltajes del orden de los 1000 volts, con corrientes de varios amperes (figura 1).
Básicamente, un tiristor es un dispositivo formado por cuatro capas de material semiconductor dopado. De estas capas, emergen tres terminales; mediante un potencial llamado voltaje de disparo o pulso de disparo (Vpulse), una de estas terminales se encarga de controlar el paso de la corriente eléctrica por las otras dos.
La característica más importante del tiristor, es que, una vez aplicado el voltaje de disparo, conduce electricidad de manera indefinida aunque ya hubiera desaparecido o se hubiera quitado el pulso de disparo (Vpulse).
Los tiristores se clasifican en dos grandes grupos: tiristores unidireccionales y tiristores bidireccionales. Los primeros conducen la corriente eléctrica en un solo sentido (ej. el SCR), y los bidireccionales como su nombre lo indica lo hacen en ambas direcciones (ej. el TRIAC).
Entre los tiristores unidireccionales, se encuentra el SCR, el foto SCR y el diodo de cuatro capas. Entre los bidireccionales, está el TRIAC, el DIAC y el transistor de unijuntura UJT.
A pesar de que el diodo de cuatro capas, el DIAC y el UJT están considerados como tiristores, no trabajan como tales. La razón es que se les emplea como "componentes auxiliares" de los SCR, foto SCR y TRIAC, en los llamados "circuitos de disparo".
¿Cómo logran los tiristores controlar el voltaje?
Para controlar el voltaje de corriente alterna aplicado a una carga, los tiristores permiten el paso de una cantidad específica de los semiciclos de dicha corriente (figura 2). Con esta acción, la potencia o el voltaje aplicado a la carga se reduce. Por lo general esto se logra aplicando pulsos de disparo a la compuerta “G” de los tiristores, estos pulsos están desfasados respecto al inicio del semiciclo positivo o negativo de la señal alterna AC , en un ángulo alfa(
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grados.
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A continuación describiremos los tiristores más importantes, comenzando por el SCR.
Rectificador controlado de silicio
El rectificador controlado de silicio o SCR (Silicon Controlled Rectifier), es un dispositivo semiconductor de cuatro capas; tiene tres terminales llamadas "cátodo", "ánodo" y "compuerta" (figura 3).
Un SCR se comporta básicamente como un interruptor. Luego de aplicarle voltaje por primera vez entre ánodo y cátodo, queda abierto y entonces impide el paso de la corriente eléctrica; pero si además de aplicarle un voltaje entre ánodo y cátodo se aplica también un pulso de disparo a la terminal compuerta G, el SCR se cierra y entonces permite que la corriente lo atraviese.
Funcionamiento del SCR
Con el propósito de que se comprenda de la mejor manera posible el funcionamiento del SCR, lo hemos dividido en dos partes como se observa en la figura 4A y 4B. De esta forma se obtienen dos transistores unidos: uno PNP, y el otro NPN. El diagrama de esta nueva configuración de dos transistores que forman un SCR, se muestra en la figura 4C.
Vamos ahora a suponer que el SCR es polarizado conforme a la nueva configuración, para lo cual hay que conectarlo en serie con una batería VCC y una resistencia RC. Entonces se comportaría como un interruptor abierto, tomando en cuenta que los "transistores" no conducen -puesto que no están polarizados correctamente- y que no circula corriente eléctrica a través del circuito (figura 5).
Como ya se dijo, para que el arreglo conduzca corriente eléctrica, es necesario aplicar un pulso de disparo a la terminal compuerta. Dicho pulso puede suministrarse por medio de una batería VP (figura 6A). De esta manera la batería polariza directamente la unión base-emisor del transistor T2, poniéndolo en estado de saturación (o sea, de máxima conducción). Cuando la corriente de colector de T2 ingresa a la base del transistor T1, polariza también la unión emisor-base; a su vez, esta polarización provoca que T1 esté en saturación.
A partir de este momento, el voltaje VP ya no es necesario; de ahí que cuando el pulso desaparece o el generador del pulso es retirado del circuito, el SCR continúa conduciendo. Ello se debe a que la corriente de colector de T2 mantiene polarizada directamente la unión base-emisor de T1; y a su vez, la corriente de colector de T1 mantiene la polarización directa de la unión base-emisor de T1 (figura 6B).
Entonces, cuando el SCR se encuentra conduciendo, funciona simplemente como un interruptor cerrado (figura 6C).
Obviamente, el SCR requiere de un voltaje mínimo de polarización para romper la barrera de potencial y pasar al estado de conducción o no conducción (interruptor abierto o cerrado).
A final de cuentas, podemos decir que el estado de un SCR es controlable cuando se emplea la terminal compuerta G. Si se aplica un pulso positivo, el SCR conduce; si se aplica un pulso negativo, no conduce.
Por ejemplo, el SCR con matrícula 2N6238 (fabricado por Motorola) tiene las características (de la hoja de datos del fabricante “datasheets”) que se muestran en la siguiente figura .
Según se observa, el voltaje máximo de conducción es de 100 volts (es decir que se destrozaría si le aplicamos 220VAC), la corriente alterna de conducción a una frecuencia de 60 Hertz es de 25 amperes, la corriente en la compuerta para que el SCR pase de estado de corte a saturación es de 0.2 miliamperes, el voltaje mínimo aplicado a la compuerta (para hacer que el SCR conduzca) es de 1 voltios, el rango de temperatura dentro del cual se asegura la operación del SCR abarca de -40°C a +110°C.
Otro ejemplo, sería el SCR con matrícula C106D (fabricado por ON Semiconductor) que tiene las características (de la hoja de datos del fabricante “datasheets”) que se muestran en la siguiente figura.
Según se observa, el voltaje máximo de conducción es de 400 volts (es decir que si se le puede aplicar 220VAC), la corriente alterna de conducción a una frecuencia de 60 Hertz es de 20 amperes, la corriente en la compuerta para que el SCR pase de estado de corte a saturación es de 0.2 miliamperes, el voltaje mínimo aplicado a la compuerta (para hacer que el SCR conduzca) es de 0.8 voltios, el rango de temperatura dentro del cual se asegura la operación del SCR abarca de -40°C a +110°C.
De forma básica para lograr que un SCR se dispare o entre en conducción se logra a través del circuito siguiente.
En él se muestra un generador de pulso que es aplicado entre cátodo K y compuerta G, y que dependiendo del instante de tiempo en que tiene inicio el PULSO se origina el ángulo de conducción o el disparo del SCR, es decir el SCR entra en conducción a partir de que detecta la compuerta el inicio del pulso de disparo y aunque el pulso de disparo luego desaparece se vuelve cero, el SCR sigue en conducción.
