EL TIRISTOR Y EL TRIAC José Luis Giordano Septiembre 19, 2006 (Última revisión: Septiembre 19, 2006) 1-QUÉ ES Un SCR o TIRISTOR es un componente electrónico de estado sólido (sin partes móviles) 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). Es un dispositivo 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 (conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: OFF (cortado, sin conducir). Si el voltaje V GK 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 los antiguos tubos tiratrones, y de ahí su nombre: thyristor, thyratron y transistor. 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 de corriente alterna (AC, altern current). Sus terminales en vez de K y A se denominan Terminal Principal 1 (MT1) y Terminal Principal 2 (MT2). El electrodo de control se denomina puerta, G, como en el tiristor. Si el voltaje V G1 entre G y MT1 es suficientemente positivo, en el primer semiciclo AC conduce desde MT2 hacia MT1 (como lo haría un tiristor). Pero en el otro semiciclo, si el voltaje V G1 es suficientemente negativo, conduce desde MT1 hacia MT2. En la Figura siguiente se muestra el símbolo del SCR y del triac, en circuitos básicos donde una fuente DC y otra AC alimentan una "carga" (que puede ser un motor, calefactor , etc.) a través del respectivo dispositivo de conmutación. En la parte inferior derecha se muestran dos tiristores conectados en "anti-paralelo" (o "back- to-back"), indicando que la función del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese modo.
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EL TIRISTOR Y EL TRIAC
José Luis Giordano Septiembre 19, 2006 (Última revisión: Septiembre 19, 2006)
1-QUÉ ES
Un SCR o TIRISTOR es un componente electrónico de estado sólido (sin partes móviles) 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).
Es un dispositivo 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 (conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: OFF (cortado, 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 los antiguos tubos tiratrones, y de ahí su nombre: thyristor, thyratron y transistor.
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 de corriente alterna (AC, altern current). Sus terminales en vez de K y A se denominan Terminal Principal 1 (MT1) y Terminal Principal 2 (MT2). El electrodo de control se denomina puerta, G, como en el tiristor. Si el voltaje VG1 entre G y MT1 es suficientemente positivo, en el primer semiciclo AC conduce desde MT2 hacia MT1 (como lo haría un tiristor). Pero en el otro semiciclo, si el voltaje VG1 es suficientemente negativo, conduce desde MT1 hacia MT2.
En la Figura siguiente se muestra el símbolo del SCR y del triac, en circuitos básicos donde una fuente DC y otra AC alimentan una "carga" (que puede ser un motor, calefactor, etc.) a través del respectivo dispositivo de conmutación. En la parte inferior derecha se muestran dos tiristores conectados en "anti-paralelo" (o "back-to-back"), indicando que la función del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese modo.
El tiristor y el triac sirven como dispositivos de conmutación de estado sólido en DC y en AC respectivamente. Es decir, son como interruptores (switches) pero rápidos, silenciosos, sin partes móviles, sin contactos electromecánicos y que pueden controlarse electrónicamente.
Estos componentes se utilizan en circuitos como por ejemplo controles de velocidad de motores o de intensidad de iluminación de ampolletas (dimmers), para activar sistemas de protección, o en convertidores de voltaje para viajes, cargadores de baterías, magnetizadores de imanes, relays de estado sólido (SSR), controles de temperatura de hornos, etc.
3-DE QUÉ ESTÁ HECHO
Como los diodos semiconductores de silicio, los SCR y los triacs se construyen uniendo materiales semiconductores tipo-p, de silicio (Si) dopado con elementos del Grupo III-A como el aluminio (Al), galio (Ga) o indio (In), y semiconductores tipo-n, de Si dopado con elementos del Grupo V-A como fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb).
Mientras que un diodo rectificador np está formado por una unión de 2 capas, una tipo-n (el K) y otra tipo-p (el A), el SCR está hecho de 4 capas pnpn de semiconductores: tipo-p (el A), tipo-n, tipo-p (la G) y tipo-n (el K). A la izquierda de la siguiente Figura se puede ver el símbolo del SCR y un diagrama esquemático de su estructura. Tres capas forman un sandwhich: 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 sandwhich: 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.
El tamaño de un SCR o de un TRIAC puede ser relativamente pequeño o grande, ya que como en el caso de los transistores, el encapsulado (que es lo que vemos desde fuera) varía según la potencia que deben disipar y la corriente máxima de trabajo. 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), baratos (menos de USD 1), y operan con menos de 1 A. El BT 136-600 que se muestra en la Figura siguiente sobre la esquina superior derecha de la página de un libro, cuesta unos USD 2, tiene menos de 3 cm de largo, y conduce hasta 6 A, en circuitos AC de 380Vrms.
4-CÓMO FUNCIONA
El funcionamiento del tiristor se puede entender como un circuito simple formado por dos transistores bipolares:
(a) Cuando a un transistor bipolar pnp de silicio se le aplica un voltaje VBE suficientemente negativo de base (B) a emisor (E) (menor que -0.6 V),
o cuando a un transistor bipolar npn de Si se le aplica un voltaje VBE suficientemente positivo de B a E (mayor que 0.6 V),
el transistor conmuta de OFF a ON, es decir, se satura (conduce toda la corriente que el circuito y él mismo permitan, desde E hacia el colector C en el pnp, o desde C hacia E en el npn).
(b) Un transistor bipolar amplifica la corriente de base IB aproximadamente en un parámetro B ("beta del transistor"), es decir, la corriente de colector es aproximadamente IC = B IB. Pero el parámetro beta depende de la corriente IC.
Ahora bien, considérese primero un TIRISTOR al que solo se le aplica un voltaje VAK > 0 V.
Si se considera al tiristor como un transistor Tr1 npn de ganancia B1 conectado con un transistor Tr2 pnp de ganancia B2 como se esquematiza a la derecha de la Figura siguiente, se observa que:
(1) Inicialmente no hay conducción (IA = 0 A, tiristor abierto, OFF).
(2) Cuando se aplica un voltaje VGK de G a K suficientemente positivo, una corriente de puerta IG dispara al tiristor, comenzando la conducción desde A hacia K (conmuta de OFF a ON, tiristor cerrado).
(3) Después del disparo, cuando IG = 0 A, la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IA = B1 (B2+1) IB1. Del análisis del circuito, se ve que durante la conducción las corrientes se ajustan para que B1 B2 = 1.
(4) 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. Esta es la clave del funcionamiento de un SCR, que 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, circuitos de potencia para corrientes AC superiores a 700 A, suelen implementarse con dos tiristores.
En la Figura anterior se muestran las correspondientes curvas características:
IA vs. VAK: corriente de ánodo versus voltaje ánodo-cátodo para el SCR, y
I2 vs. V21: corriente en el MT2 versus voltaje entre MT2 y MT1, para el triac,
que resumen el comportamiento de estos componentes de conmutación. La zona de corte y saturación (OFF-ON), 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. 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 (lo que sería 0 V en un interruptor perfecto). Este voltaje residual multiplicado por la corriente principal (IA o I2) determinan la potencia que el encapsulado del componente debe disipar.
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.
Comentario acerca de los mecanismos de disparo
El disparo por corriente en G, se denomina cebado por puerta. Pero este disparo puede producirse por corrientes inyectadas accidentalmente o intencionalmente. Los casos más importantes son:
(1) Cuando el tiristor está OFF y el voltaje entre A y K cambia con un ritmo VAK/ t, se produce una corriente iT debida a la capacidad CT de transición, entre las cargas q a un lado y al otro de la unión:
iT = q/ t = ( q/ VAK) x ( VAK/ t) = CT ( VAK/ t)
O sea, aparece una capacidad equivalente CT = q/ VAK.
Por lo tanto, un valor muy grande de VAK/ t puede producir accidentalmente el disparo.
(2) Cuando una unión semiconductora está polarizada inversamente, hay una fuga de corriente inversa, que depende del material y de la temperatura. Si el voltaje VAK es muy grande, la corriente inversa es mayor, y también podría dispararse accidentalmente el tiristor.
(3) La corriente inversa aumenta al doble cada 14°C aproximadamente. Por lo tanto, un aumento en la temperatura, también podría producir un disparo accidental. Estos casos deben tenerse en cuenta en el diseño de circuitos con conmutadores de estado sólido.
(4) Los tiristores diseñados con ventanas transparentes permiten la creación electrón-agujero a partir de los fotones absorbidos por la unión semiconductora polarizada inversamente. Por lo tanto, mediante la luz también pueden dispararse tiristores. Este es el fundamento de los fototiristores o LASCR (light activated SCR).
Comentario acerca de los componentes de disparo
Finalmente hay que mencionar que así como el tiristor y el triac son componentes DC y AC de conmutación (switching devices), existen componentes DC y AC de disparo ( triggering devices), utilizados para disparar tiristores y a triacs.
Dependiendo del circuito y de la aplicación, un tiristor se puede disparar con un conmutador unilateral de silicio (SUS, silicon unilateral switch), que dispara a un voltaje fijo entre 6 a 10 V. Otra opción es dispararlos con un transistor uniunión (UJT, unijunction transistor), que dispara a diferentes voltajes, o un transistor uniunión programable (PUT, programmable unijunction transistor). Otro componente utilizado es el diodo de 4 capas o diodo Shockley. También pueden dispararse con otro tiristor, ampolleta de neón, transistores, relays y a través de un transformador.
En un circuito AC el triggering device debe ser también bidireccional. Los triacs se pueden disparar con un elemento simétrico denominado DIAC (diode altern current), que posee un voltaje de disparo de aproximadamente + y - 32 V. En algunos casos se utiliza un disparador asimétrico, y como en los tiristores, un triac puede dispararse con otro triac, relays o a través de un transformador.
Tanto tiristores como triacs típicos, una vez disparados siguen conduciendo mientras haya voltage y corriente. Pero cuando el voltaje entre los electrodos principales cruza por cero y/o desaparece la corriente, conmutan a OFF y hay que volver a dispararlos.
REFERENCIAS
(1) Lilen H 1973 Thiristors et Triacs; Seconde édition (Paris: Radio) Traducción al Castellano: 1976 Tiristores y Triacs (Barcelona: Marcombo)
(2) Motorola Inc. 1989 Thyristor Device Data; Serie C, 3rd Printing DL 137 REV 3 (USA: Motorola)
(3) Encyclopædia Britannica (Consultado en Julio 30, 2006) semiconductor device (página 13 de 15)
(4) Wikipedia (Consultado en Julio 30, 2006) Thyristor