Com funcionen els tiristors (SCR): tutorial

Bàsicament un SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​que també es coneix amb el nom de Tiristor funciona com un transistor.

Què significa SCR

El dispositiu rep el seu nom (SCR) a causa de la seva estructura interna de semiconductors multicapa que fa referència a la paraula 'silici' al principi del seu nom.

La segona part del nom 'controlat' fa referència al terminal de la porta del dispositiu, que es commuta amb un senyal extern per controlar l'activació del dispositiu i, per tant, la paraula 'controlat'.

I el terme 'rectificador' significa la propietat de rectificació del SCR quan s'activa la seva porta i es permet que la potència flueixi a través del seu ànode fins als terminals del càtode, això pot ser similar a la rectificació amb un díode rectificador.

L'explicació anterior deixa clar com funciona el dispositiu com un 'rectificador controlat de silici'.

Tot i que un SCR es rectifica com un díode i imita un transistor a causa de la seva funció de desencadenament amb un senyal extern, una configuració interna SCR consisteix en una disposició de semiconductors de quatre capes (PNPN) que es compon de juntes PN de 3 sèries, a diferència d’un díode que té un transistor de 2 capes (PN) o un transistor que inclou una configuració de semiconductor de tres capes (PNP / NPN).

Podeu consultar la següent imatge per entendre el disseny intern de les unions semiconductores explicades i el funcionament dels tiristor (SCR).

Una altra propietat SCR que coincideix clarament amb un díode és que té les seves característiques unidireccionals que permeten que el corrent flueixi només en una direcció a través d’ella i que es bloquegi des de l’altre costat mentre s’encén, tot i haver dit que els SCR tenen una altra naturalesa especialitzada que els permet operar. com a interruptor obert mentre es troba en mode APAGAT.

Aquests dos modes de commutació extrems en SCR restringeixen aquests dispositius a amplificar senyals i aquests no es poden utilitzar com a transistors per amplificar un senyal pulsant.

Els rectificadors controlats per silici o els SCR, igual que els Triacs, Diacs o UJT, que tenen la propietat de funcionar com a commutadors de CA d’estat sòlid que canvien ràpidament mentre regulen un potencial o corrent de CA determinat.

Per tant, per als enginyers i aficionats, aquests dispositius es converteixen en una excel·lent opció d’interruptor d’estat sòlid a l’hora de regular els dispositius de commutació de corrent altern, com ara llums, motors i interruptors dimmer amb la màxima eficàcia.

Un SCR és un dispositiu semiconductor de 3 terminals que s’assigna com ànode, càtode i porta, que al seu torn es fabriquen internament amb 3 unions P-N, que tenen la propietat de canviar a una velocitat molt alta.

Per tant, el dispositiu es pot canviar a la velocitat desitjada i establir discretament períodes d’ACTIVACIÓ / APAGADA, per implementar un temps d’interruptor mitjà concret o d’apagat a una càrrega.

Tècnicament, el disseny d’un SCR o d’un tiristor es pot entendre comparant-lo amb un parell de transistors (BJT) connectats en l’ordre posterior a darrere, de manera que es formin com un parell de commutadors regeneratius complementaris, tal com es mostra a la imatge següent :

Analogia de tiristor dos transistors

Els dos circuits equivalents de transistors mostren que el corrent de col·lector del transistor NPN TR2 s’alimenta directament a la base del transistor PNP TR1, mentre que el corrent de col·lector de TR1 s’alimenta a la base de TR2.

Aquests dos transistors interconnectats es basen l’un en l’altre per a la conducció, ja que cada transistor obté el seu corrent d’emissor base del corrent emissor de col·lector de l’altre. Per tant, fins que no es doni un corrent de base als transistors, no pot passar res, fins i tot si hi ha una tensió d'ànode a càtode.

Simular la topologia SCR amb una integració de dos transistors revela que la formació és d’una manera tal que el corrent de col·lector del transistor NPN s’alimenta directament a la base del transistor PNP TR1, mentre que el corrent de col·lector de TR1 connecta l’alimentació amb el base de TR2.

La configuració simulada de dos transistors sembla que s’uneix i es complementa amb la conducció mitjançant la recepció de la unitat base del corrent emissor del col·lector de l’altre; això fa que la tensió de la porta sigui molt crucial i garanteixi que la configuració mostrada no es pugui dur a terme fins que s’apliqui un potencial de porta fins i tot en presència de l’ànode a càtode, el potencial pot ser persistent.

En una situació en què el cable de l’ànode del dispositiu és més negatiu que el seu càtode, permet que la unió N-P es mantingui esbiaixada cap endavant, però assegurant que les unions P-N externes siguin esbiaixades de manera inversa de manera que actuï com un díode rectificador estàndard

Aquesta propietat d'un SCR li permet bloquejar un flux de corrent invers, fins que es produeix una magnitud de voltatge significativament alta que pot estar més enllà de les especificacions del bec cap avall a través dels cables esmentats, cosa que obliga el SCR a conduir fins i tot en absència d'una unitat de porta .

L'anterior es refereix a les característiques crítiques dels tiristors que poden provocar que el dispositiu s'activi de forma indesitjable a través d'una pujada inversa d'alta tensió i / o una temperatura alta, o un voltatge transitori cada vegada més ràpid.

Ara suposem que en una situació en què el terminal de l’ànode experimenta més positivament pel que fa al seu cable de càtode, això ajuda a que la unió P-N exterior es polaritzi cap endavant, tot i que la unió central N-P continua sent polaritzada inversament. D'aquesta manera, es garanteix que el corrent directe també estigui bloquejat.

Per tant, en cas que un senyal positiu induït a través de la base del transistor NPN TR2 resulti el pas del corrent del col·lector cap a la base f TR1, que en trun obliga el corrent del col·lector a passar cap al transistor PNP TR1 augmentant la unitat de base de TR2 i la procés es reforça.

La condició anterior permet als dos transistors millorar la seva conducció fins al punt de saturació a causa del seu bucle de retroalimentació de configuració regenerativa mostrat que manté la situació entrellaçada i bloquejada.

Així, tan bon punt s’activa l’SCR, permet que un corrent flueixi del seu ànode a càtode amb només una resistència cap endavant mínima al voltant del camí, garantint una conducció i un funcionament eficients del dispositiu.

Quan se sotmet a un corrent altern, el SCR pot bloquejar els dos cicles del corrent altern fins que s’ofereixi un voltatge d’activació a través de la porta i el càtode, cosa que permet instantàniament que el mig cicle positiu del corrent altern passi pels cables del càtode de l’ànode i el dispositiu comença a imitar un díode rectificador estàndard, però només mentre el disparador de la porta es manté engegat, la conducció es trenca en el moment en què es dispara el disparador de la porta.

A la imatge següent es poden observar les corbes de tensió-corrent o I-V aplicades per a l’activació d’un rectificador controlat amb silici.

Característiques Corbes de Tiristor I-V

Tanmateix, per a una entrada de CC, tan bon punt s’activa el tiristor, a causa de la conducció regenerativa explicada, realitza una acció de bloqueig de tal manera que la conducció de l’ànode a càtode es manté i continua conduint fins i tot si es treu el gatell de la porta.

Així, per a una alimentació de corrent continu, la porta perd completament la seva influència una vegada que s’aplica el primer impuls de desencadenament a través de la porta del dispositiu, garantint un corrent de bloqueig des del seu ànode fins al càtode. Es pot trencar trencant momentàniament la font de corrent d'ànode / càtode mentre la porta està completament inactiva.

SCR no pot funcionar com els BJT

Els SCR no estan dissenyats per ser perfectament analògics com els homòlegs del transistor i, per tant, no es poden fer conduir en alguna regió activa intermèdia per a una càrrega que pugui estar entre la conducció completa i l'interruptor de competició OFF.

Això també és cert perquè el disparador de la porta no té cap influència sobre la quantitat de conducta o saturació de l’ànode cap al càtode, per tant, fins i tot amb un petit impuls momentani de la porta és suficient per fer girar la conducció de l’ànode cap al càtode en un interruptor complet.

La característica anterior permet comparar un SCR i considerar-lo com un tancament biestable que posseeix els dos estats estables, ja sigui un ON complet o un OFF complet. Això es deu a les dues característiques especials del SCR en resposta a una entrada de CA o CC, tal com s’explica a les seccions anteriors.

Com utilitzar la porta d’un SCR per controlar-ne el canvi

Com s'ha comentat anteriorment, una vegada que s'activa un SCR amb una entrada de CC i el seu càtode d'ànode es bloqueja automàticament, es pot desbloquejar o desactivar eliminant momentàniament completament la font de subministrament d'ànode (corrent d'ànode Ia) o reduint el mateix a alguns. nivell significativament baix per sota del corrent de retenció especificat del dispositiu o del 'corrent de retenció mínim' Ih.

Això implica que s’ha de reduir el corrent mínim de retenció de l’ànode al càtode fins que l’enllaç de tancament P-N intern dels tiristor sigui capaç de restaurar la seva característica de bloqueig natural.

Per tant, això també significa que per fer que un SCR funcioni o condueixi amb un disparador de porta és imprescindible que el corrent de càrrega de l’ànode al càtode superi el ‘corrent de retenció mínim’ especificat Ih, en cas contrari, el SCR podria no implementar la conducció de càrrega, per tant si IL és el corrent de càrrega, ha de ser com IL> IH.

Tanmateix, com ja s’ha comentat a les seccions anteriors, quan s’utilitza un corrent altern a través dels pins de l’ànode SCR.Cathode, s’assegura que no es permet al SCR executar l’efecte de bloqueig quan s’elimina la unitat de porta.

Això es deu al fet que el senyal de CA s'activa i s'apaga dins de la seva línia de pas zero, que manté l'ànode SCR al corrent de càtode per apagar-se a cada desplaçament de 180 graus del mig cicle positiu de la forma d'ona de CA.

Aquest fenomen es denomina 'commutació natural' i imposa una característica crucial a una conducció SCR. Contràriament a això amb els subministraments de CC, aquesta característica esdevé immaterial amb els SCR.

Però, atès que un SCR està dissenyat per comportar-se com un díode rectificador, només respon de manera efectiva als semicicles positius d’una CA i es manté invertit esbiaixat i no respon completament a l’altre mig cicle de la CA, fins i tot en presència d’un senyal de porta.

Això implica que, en presència d'un disparador de porta, l'SCR es condueix a través del seu ànode fins a càtode només durant els respectius semicicles alternatius i es manté apagat durant els altres semicicles.

A causa de la funció de bloqueig explicada anteriorment i també de tallar durant l’altre mig cicle d’una forma d’ona de CA, el SCR es pot utilitzar eficaçment per tallar cicles de CA de manera que la càrrega es pugui canviar a qualsevol nivell de potència (ajustable) inferior desitjat .

També coneguda com a control de fase, aquesta característica es pot implementar mitjançant un senyal temporitzat extern aplicat a través de la porta del SCR. Aquest senyal decideix després de quant de retard es pot disparar el SCR un cop la fase AC ha començat el seu mig cicle positiu.

Per tant, això permet canviar només aquella porció de l’ona CA que es passa després del disparador de la porta .. aquest control de fase és una de les principals característiques d’un tiristor controlat per silici.

Es pot entendre com funcionen els tiristors (SCR) en el control de fase mirant les imatges següents.

El primer diagrama mostra un SCR la porta de la qual s’activa permanentment, tal com es pot veure al primer diagrama, permet que la forma d’ona positiva completa s’iniciï de principi a fi, que des de la línia central de pas zero.

Control de fase de tiristor

Al començament de cada semicicle positiu, el SCR està 'DESACTIVAT'. En la inducció de la porta, el voltatge activa el SCR en conducció i permet que estigui completament bloquejat “ON” durant tot el mig cicle positiu. Quan el tiristor s’encén a l’inici del mig cicle (θ = 0o), la càrrega connectada (un llum o qualsevol similar) estaria “ACTIVADA” per a tot el cicle positiu de la forma d’ona de CA (CA de mitja ona rectificada) ) a una tensió mitjana elevada de 0,318 x Vp.

A mesura que la inicialització de l’interruptor de la porta ON s’eleva al llarg del mig cicle (θ = 0o a 90o), la làmpada connectada s’encén durant un temps menor i la tensió neta aportada a la làmpada també disminueix proporcionalment la seva intensitat.

Posteriorment, és fàcil explotar un rectificador controlat per silici com a regulador de llum CA i en moltes aplicacions addicionals de potència CA, per exemple: control de velocitat del motor de CA, dispositius de control de calor i circuits reguladors de potència, etc.

Fins ara hem estat testimonis que un tiristor és fonamentalment un dispositiu de mitja ona que és capaç de passar corrent només a la meitat positiva del cicle sempre que l’ànode sigui positiu i impedeixi el flux de corrent igual que un díode en els casos en què l’ànode és negatiu. , fins i tot si el corrent de la porta continua actiu.

No obstant això, podeu trobar moltes més variants de productes semiconductors similars per triar entre els que s'originen sota el títol de 'Tiristor' dissenyats per funcionar en ambdues direccions dels semicicles, unitats d'ona completa o que es poden desactivar mitjançant el senyal Gate. .

Aquest tipus de productes inclouen 'Tiristors de tancament de porta' (GTO), 'Tiristors d'inducció estàtica' (SITH), 'Tiristors controlats MOS' (MCT), 'Commutador controlat de silici' (SCS), 'Tiristor triode' (TRIAC) i 'Tiristor desencadenat amb llum' (LASCR) per identificar-ne uns quants, amb tants d'aquests dispositius accessibles en diverses tensions i corrents diferents, cosa que els fa interessants per utilitzar-los en propòsits a nivells de potència molt elevats.

Descripció general del funcionament del tiristor

Els rectificadors controlats de silici coneguts generalment com a tiristor són dispositius semiconductors PNPN de tres unions que es podrien considerar dos transistors interconnectats que podeu utilitzar en la commutació de càrregues elèctriques pesades que funcionen a la xarxa.

Es caracteritzen per estar bloquejats - 'ON' per un sol pols de corrent positiu aplicat al seu cable Gate i poden continuar 'ON' sense parar fins que el corrent d'ànode a càtode es redueixi per sota de la seva mesura de bloqueig mínima especificada o s'inverti.

Atributs estàtics d’un tiristor

Els tiristor són equips de semiconductors configurats per funcionar només en la funció de commutació. El tiristor és un producte controlat actualment, un petit corrent Gate és capaç de controlar un corrent d'ànode més important. Habilita el corrent només un cop esbiaixat cap endavant i activa el corrent aplicat a la porta.

El tiristor funciona de manera similar a un díode rectificador sempre que passa a estar activat. El corrent d'ànode ha de ser més que mantenir el valor actual per preservar la conducció. Inhibeix el pas de corrent en cas de polarització inversa, independentment de si es posa o no corrent de porta.

Tan bon punt estigui activat, es bloqueja l'activació independentment de si s'està aplicant un corrent de porta, però només en cas que el corrent d'ànode estigui per sobre del corrent de bloqueig.

Els tiristor són interruptors ràpids que podeu utilitzar per substituir els relés electromecànics en diversos circuits, ja que simplement no tenen parts vibrants, no tenen arc de contacte o tenen problemes de deteriorament o brutícia.

Però, a més de simplement canviar corrents substancials 'ON' i 'OFF', es poden aconseguir tiristors per gestionar el valor RMS d'un corrent de càrrega de CA sense dissipar una quantitat considerable de potència. Un excel·lent exemple de control de la potència del tiristor és el control de la il·luminació elèctrica, els escalfadors i la velocitat del motor.

Al següent tutorial veurem alguns aspectes bàsics Circuits i aplicacions de tiristor utilitzant subministraments de CA i CC.