SCR

DEFINICIÓN.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.



  Figura 1: Símbolo del SCR.



ESTRUCTURA.



Figura 2 : Estructura básica del SCR.



CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO.


La curva característica del SCR es la representada en el siguiente Applet:

En el Applet se muestra la curva característica típica de un tiristor SCR, representándose la corriente de ánodo (Ia) en función de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo (Vak). Cuando la tensión Vak es nula, también lo es la intensidad de corriente Ia. Al aumentar dicha tensión en sentido directo, con corriente de puerta nula, si se supera la tensión Vb0, la transición de estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones Vak inferiores a Vb0, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (Ig) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (Ih).
Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.


El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:
- tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,
- intensidad en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF Þ ON, usando la corriente de puerta adecuada.

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.
Características dinámicas.

• Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.
• Impulsos de corriente:
- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).
- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.






Figura 4. Curva de limitación de impulsos de corriente.


• Ángulos de conducción:

- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.

- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.

- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción (Figura 5):



ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo



- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias.



Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.

MÉTODOS DE DISPARO.
Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.


Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:


- Por puerta.
- Por módulo de tensión.
- Por gradiente de tensión (dV/dt)
- Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura.


El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados.

5.1 DISPARO POR PUERTA.

Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.



Figura 8. Circuito de control por puerta de un SCR.

- El valor requerido de VT necesario para disparar el SCR es:
VT = VG + IG × R
- R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia para obtener la máxima seguridad en el disparo (Figura 9).
R = VFG / IFG



Figura 9. Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia.

5.2 DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.

Es el debido al mecanismo de multiplicación por avalancha. Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobre tensiones anormales en los equipos electrónicos.

5.3 DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN.
Una subida brusca del potencial de ánodo en el sentido directo de conducción provoca el disparo. Este caso más que un método, se considera un inconveniente.



Figura 10. Zona de disparo por gradiente de tensión.

5.4 DISPARO POR RADIACIÓN.
Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz del elemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.

5.5 DISPARO POR TEMPERATURA.
El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a1+ a2) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.

6. CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.

Para el control en el disparo:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.
- En el momento del disparo Iak > IL.

Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión Vak.
- Incrementamos RL hasta que Iak< IH.