El SCR

Definición

El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Construcción

Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.

Simbología

A: ÁNODO G: GATE O COMPUERTA K: CÁTODO

Curva Característica

En la gráfica inferior de muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta. Cuando está polarizado en inversa se comporta como un diodo común. En la región de polarización en directo, se comporta también como un diodo común, siempre que ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de ánodo a cátodo es menor (VC).

Características

·         Interruptor casi ideal

·         Amplificador eficaz

·         Fácil controlabilidad

·         Características en función de situaciones pasadas (memorias).

·         Soportan altas tensiones

·         Capacidad para controlar Grandes Potencias

·         Relativa rapidez

También es importante resaltar las siguientes características.

Características Estáticas. Corresponden a la región ánodo- cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en un límite de sus posibilidades

Vrwm. Vdrm, Vt, Itav, Itrms, Ir,Tj, Ih

Características Dinámicas.Tensiones transitorias, Son valores de tensión que van superpuesto a la señal sinusoidal de la fuente de alimentación. Son de escasa duración, pero de amplitud considerable.

Características De Conmutación. Los tiristores necesitan un tiempo para pasar de bloqueo a conducción y viceversa. Para frecuencias inferiores a 400hz podemos ignorar estos efectos. En la mayoría de las aplicaciones se requiere una conmutación más rápida por lo que este tiempo de tenerse en cuenta.

Características Por Temperatura. Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, este disipa una cantidad de energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura produce un aumento de la corriente de fuga, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se colocan Disipadores de calor.

Características de control del SCR. 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

Determinan la naturaleza del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.

Para la región puerta- cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características

Vgfm, Vgrm, Igm, Pgm, Pgav, Vgt, Vgnt, Igt, 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.

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.

También podemos tomar como apuntes muy importantes los 4 casos siguientes:

1. Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará dependiendo de la condición de la terminal de compuesta de la manera siguiente:

  O = circuito abierto de G a K   S = circuito cerrado de G a K   R = resistencia de G a K   V = Polarización fija (voltaje) de G a K

2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas.

3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.

4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de avalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental. 

Características de la compuerta de los SCR. Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la Terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas terminales (VGK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V.

Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. Mientras la corriente continué fluyendo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR permanecerá en ON. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (IAK) caiga por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de ca pasa por cero a su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, la IHO es alrededor de 10 mA

Funcionamiento

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente para comprender su funcionamiento. Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. Es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y … este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

Conexiones

En la primera figura, se muestra como dos SCR pueden combinarse con su transformador de toma central para efectuar un control de onda completa.  Este circuito se asemeja bastante al rectificador de onda completa para una fuente de alimentación dc.  Cuando el devanado secundario está en el semiciclo positivo, positivo arriba y negativo abajo, el SCR1 puede cebarse.  Esto conecta la carga a la mitad superior del devanado secundario del transformador.  Cuando el devanado secundario se encuentra en el semiciclo negativo, el SCR2, puede cebarse, conectando la carga a la mitad inferior del devanado secundario.  La corriente a través de la carga siempre fluye en la misma dirección, tal como sucede en una fuente dc de onda completa.  En las figuras 2, se  muestran las formas de onda de voltaje en la carga y del voltaje ac de línea para un ángulo de disparo de 45º aproximadamente

IMAGEN 1

IMAGEN 2

Circuitos puente con SCR

Un solo SCR puede controlar ambas alternancias de una fuente ac cuando se conecta como se muestra en la figura 1A. Cuando la línea ac está en su semiciclo positivo, los diodos A y C están polarizados directamente.  Cuando el SCR se ceba, el voltaje de línea es aplicado a la carga.  Cuando la línea ac está en su semiciclo negativo, los diodos B y D están directamente polarizados.  Nuevamente el voltaje de línea es aplicado a la carga cuando el SCR  se ceba.  La forma de onda de la carga es similar a la mostrada en la figura 1B

Los SCR en circuitos dc

Cuando un SCR es utilizado en un circuito dc, no ocurre bloqueo automático, porque, desde luego, la fuente de voltaje no pasa por cero.  En esta situación, deben utilizarse otros medio para suspender la corriente principal del SCR (reducirla por debajo de IHO).  El método obvio para hacerlo es desconectar la fuente de alimentación dc.  En la mayoría de los casos, es impracticable. A menudo, la corriente principal se suspende efectuando un cortocircuito temporal entre ánodo y cátodo.  Este procedimiento se ilustra en la figura, en la cual un transistor como interruptor está conectado en paralelo con el SCR.  Cuando el SCR va a ser bloqueado, el circuito de disparo activa el transistor y lo lleva a saturación.  La corriente de carga circula momentáneamente por el transistor haciendo que la corriente principal del SCR caiga por debajo de IHO.  el transistor se mantiene en conducción el tiempo suficiente para que el SCR se bloquee.  Este hecho normalmente toma algunos milisegundos en un SCR de mediana.  Luego el circuito de disparo suspende la corriente de base, llevando el transistor a corte antes que se dañado por el paso de la gran corriente de carga

En esta distribución el circuito de disparo es responsable tanto por la conducción como por el bloqueo del SCR. Puede realizarse un bloqueo más efectivo si se polariza inversamente el SCR.  Un circuito capaz de efectuarlo se muestra en la figura 1.7b.  En este circuito el condensador se carga con la polaridad indicada cuando el SCR pasa a conducción.  Para el bloqueo, el circuito de disparo nuevamente satura el transistor, lo cual efectivamente coloca al condensador en paralelo con el SCR.  Dado que el voltaje a través del condensador no puede cambiar instantáneamente, el condensador, el condensador aplica temporalmente un voltaje inverso al SCR y lo bloquea

Aplicaciones Prácticas

·         Su versatilidad lo hace ideal para el control de corriente alterna (C.A.).

·         Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.

·         Funciona como interruptor electrónico y también a pila.

Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apague correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna