Características estáticas y dinámicas del tiristor y sus variantes (DIAC, TRIAC, SCR)

El tiristor

Se denominan tiristores a todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentación regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos dentro de esta familia, de los cuales el mas empleado con mucha diferencia es el rectificador controlado de silicio (SCR), por lo que suele aplicarsele el nombre genérico de tiristor.

Características estáticas del tiristor.

En la siguiente figura se muestra la curva estática del tiristor. En dirección inversa se comporta como un diodo, bloqueando la tensión hasta que se alcanza la tensión inversa VRWM, que es cuando tiene lugar la ruptura por avalancha. En la direccion directa el tiristor también bloquea la tensión hasta que llega al ruptura de conducción en VBO. 

El tiristor estará conduciendo mientras la corriente a su través sea mayor que un valor llamado corriente de enclavamiento o de enganche IBO, definida como la corriente de ánodo mínima que hace bascular al tiristor del estado de bloqueo al estado de conducción, Después, sus características son similares a las de un diodo permaneciendo el componente en conducción mientras la corriente de ánodo a cátodo no caiga por debajo de un valor denominado corriente de mantenimiento IH.

Por lo tanto, dentro de las características estáticas del tiristor, y dependiendo de la tensión que se aplique entre ánodo y cátodo, se puede distinguir tres zonas que dan lugar a los dos estados estables que posee: bloqueo y conducción (cebado).

• Vak menor que cero (zona de bloqueo inverso): Dicha condición corresponde al estado de no conducción en inversa, comportándose como un diodo.
• Vak mayor que cero con disparo (zona de bloqueo directo): El tiristor se comporta como un circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa.
• Vak mayor que cero con disparo (zona de conducción): Se comportara como un cortocircuito, si una vez ha ocurrido el disparo, por el SCR circula una corriente superior a la corriente de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá si el valor de la corriente ánodo-cátodo es superior a la corriente de mantenimiento. 

Características dinámicas del tiristor:

La característica de conmutación de un tiristor determina sus perdidas de conmutación y su frecuencia máxima de funcionamiento, de la misma forma que se hizo para el transistor. En particular, para el caso del tiristor las curvas de conexión y desconexión presentan el siguiente comportamiento:

Transitorio a conexión: La forma de conexión es muy similar a la del transistor de potencia, donde la corriente a través del componente aumenta según disminuye la tensión ánodo-cátodo. El tiempo para alcanzar una conducción del 10% medio desde la aplicación de excitación de puerta se denomina tiempo de retraso retardo, y aquel entre el 10% y el 90% es el tiempo de subida.

Transitorio a corte: Si el circuito externo fuerza una reducción muy brusca de la intensidad del ánodo e intenta la conducción en sentido inverso, los portadores de las uniones no pueden reajustarse, por tanto hay un tiempo de retraso por almacenamiento donde se comporto como un cortocircuito conduciendo en sentido contrario al estar polarizado positivamente, produciendo un pico de corriente IRR. El tiempo entre el inicio de la corriente de recuperación inversa y cuando ha caído por debajo del 25% de su valor se denomina tiempo de recuperación inversa.

Variantes del tiristor (DIAC, TRIAC, SCR).

Rectificador controlado de silicio: El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta.  Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Símbolo del SCR:

Características generales:

• Interruptor casi ideal.
• Soporta tensiones altas.
• Amplificador eficaz.
• Es capaz de controlar grandes potencias.
• Fácil controlabilidad.
• Relativa rapidez.
• Características en función de situaciones pasadas (memoria).

Aplicaciones:

• Controles de relevador.
• Circuitos de retardo de tiempo.
• Fuentes de alimentación reguladas.
• Interruptores estáticos.
• Controles de motores.
• Recortadores.
• Inversores.
• Ciclo conversores.
• Cargadores de baterías.
• Circuitos de protección.
• Controles de calefacción.
• Controles de fase.

Triodo para alternar corriente (TRIAC): El TRIAC (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

Símbolo del TRIAC:

Características generales:

• La corriente puede pasar en ambas direcciones.
• Adecuados para convertidores de conmutación forzada en aplicaciones de potencia intermedia y alta.
• Control del encendido por corriente de puerta (pulso).
• No es posible apagarlo desde la puerta.
• Pueden apagarse con un pulso de señal negativo.

Aplicaciones:

• Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
• 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 apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de corriente alterna.

Diodo de disparo bidireccional para corriente alterna (DIAC): Dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) con dos electrodos principales: MT1 Y MT2, y ninguno de control. Puede conducir en dos sentidos siempre que llegue a su tensión de disparo. La mayoría tienen una tensión de disparo de 30 v.

Símbolo del DIAC:

Características generales:

• Es otro dispositivo tiristor y se usa normalmente para disparar a un TRIAC.
• Se comporta como dos Diodos Zener conectados en paralelo pero orientados en formas opuestas. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.
• Normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga, la conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.

Aplicaciones:

• Se emplean en circuitos que realizan un control de fase de la corriente de un TRIAC. Estos sistemas se utilizan en control de iluminación con intensidad variable.
• Calefacción eléctrica con regulación de temperatura.
• Control de velocidad en motores.