sábado, 3 de diciembre de 2011

SCR


El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo 
semicnductor biestable formado por tres uniones pncon 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.


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).


             CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.
Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos
que colocan al elemento en límite de sus posibilidades:
- Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: VRWM
- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM
- Tensión directa ...........................................................................: VT
- Corriente directa media ...............................................................: ITAV
- Corriente directa eficaz ................................................................ITRMS
- Corriente directa de fugas ............................................................: IDRM
- Corriente inversa de fugas ............................................................: IRRM
- Corriente de mantenimiento ..........................................................: IH

   Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:

- Temperatura de la unión ................................................................: Tj
- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg
- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: Rc-d
- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: Rj-c
- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: Rj-a
- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Zj-c

           
          CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.
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
            
     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.



              Área de disparo seguro.

               
En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y  corrientes
admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las  curvas:
    Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de la corriente 
positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.
    Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.
    Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemos sobrepasar.

   

                  Figura 3. Curva características de puerta del tiristor.



        El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:
  • Una caída de tensión en sentido directo más elevada.
  • Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.


  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.

 Características de conmutación.

Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conducción y 
viceversa. Vamos a analizar este hecho.

1 Tiempo de encendido (Ton):

Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos partes (Figura 6):

• Tiempo de retardo (td): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el 50 %
de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo. Depende de la
corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (td disminuye si estas
magnitudes aumentan).


• Tiempo de subida (tr): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 %
de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de su valor
inicial.


Ton = td + t 


Figura 6. Tiempo de encendido.



2    Tiempo de apagado (Toff):



Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos partes 
(Figura 7):


• Tiempo de recuperación inversa (trr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción
del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.



• Tiempo de recuperación de puerta (tgr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo, las 
restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta recupere su 
capacidad de gobierno.



Toff = trr + tgr

Figura 7. Tiempo de apagado.


La extinción del tiristor se producirá por dos motivos:  reducción de la corriente de ánodo por debajo
de la  corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo.


 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.
Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de energía que
produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la
temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez provoca un aumento de la
temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se
colocan disipadores de calor.


 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.


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.

       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.



    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.

            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.




        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.

   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.


       LIMITACIONES DEL TIRISTOR.

 LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO.

- La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.

- El límite es atribuible a la duración del proceso de apertura y cierre del dispositivo.

- La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.



      LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIÓN dV/dt.

 "dV/dt" es el valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo del cual no se producen picos 
transitorios de tensión de corta duración, gran amplitud y elevada velocidad de crecimiento.



a) Causas:
- La alimentación principal produce transitorios difíciles de prever en aparición, duración
(inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.
- Los contactores entre la alimentación de tensión y el equipo: cuya apertura y cierre pueden producir
transitorios de elevada relación dV/dt (hasta 1.000 V/µs) produciendo el basculamiento del
dispositivo.
- La conmutación de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de tensión.

b) Efectos:

- Puede provocar el cebado del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.

- La dV/dt admisible varia con la temperatura.



         LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD dI/dt.

 "dI/dt" es el valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no se
producen puntos calientes.



a) Causas:
- Durante el cebado, la zona de conducción se reduce a una parte del cátodo cerca de la puerta, si el
circuito exterior impone un crecimiento rápido de la intensidad, en esta zona la densidad de corriente
puede alcanzar un gran valor.
- Como el cristal no es homogéneo, existen zonas donde la densidad de Intensidad es mayor (puntos
calientes).

b) Efectos:

- En la conmutación de bloqueo a conducción la potencia instantánea puede alcanzar valores muy
altos.

- La energía disipada producirá un calentamiento que, de alcanzar el límite térmico crítico, podría
destruir el dispositivo.





  PROTECCIONES CONTRA dV/dt Y dI/dt.
Solución: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie. Calculo: método de la
constante de tiempo y método de la resonancia.
Figura 11. Circuito de protección contra dV/dt y dI/dt.
            7.4.1    Método de la constante de tiempo.

• Cálculo de R y C:

1.    Se calcula el valor mínimo de la constante de tiempo ζ de la dV/dt del dispositivo y  el valor de R 
y C:
                                             ζ = ( 0,63 × VDRM ) / ( dV/dt )mín  
                                            C = ζ / RL
                                            Rs = VA(máx) / ( ITSM - I) × Γ

donde:   

VDRM = tensión de pico repetitiva de bloqueo directo.

IL = corriente en la carga.

RL = resistencia de carga.
ITSM = corriente directa de pico no repetitiva.
VA(máx) = tensión de ánodo máxima.
Γ = coeficiente de seguridad (de 0,4 a 0,1).
2.    Hallamos el valor de Rmín que asegura la no superación de la dI/dt máxima especificada (a partir 
de la ecuación de descarga de C):

                                            R mín  ( VA(máx)   / ( dI /dt ) × C )½
• Cálculo de L:                 
                                             L = VA(máx)  / ( dI / dt)

           Método de la resonancia.


 Elegimos R, L y C para entrar en resonancia.
El valor de la frecuencia es:        f = (dV / dt ) /  2p VA (máx)
En resonancia:  
                                             f =  1 /  2p (LC)½     Þ    C =  1 ( 2p)2L
El valor de L es el que más nos interese, normalmente:  L= 50 µH.
El valor de R será:                Rs = (L / C)½
  LIMITACIONES DE LA TEMPERATURA.
En los semiconductores de potencia, se producen pérdidas durante el funcionamiento que se
traducen en un calentamiento del dispositivo.   
Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son repetitivos, la potencia media disipada
en un tiristor será:


 La potencia disipada en los tiristores durante la conducción, es mucho mayor que la disipada
durante el bloqueo y que la potencia disipada en la unión puerta - cátodo. Podemos decir que las
pérdidas con una tensión de alimentación dada y una carga fija, aumentan con el ángulo de
conducción (α).
 Si la conducción se inicia en t1 y termina en t2, la potencia media de perdidas será:
    Si representamos la VAK en función de la IA, tendremos la siguiente relación:       

VAK =  V0 +  IA × R
V0 y R son valores aproximadamente constantes para una determinada familia de tiristores y para
una determinada temperatura de la unión. En éste caso nos encontraremos dentro de la zona directa
de la curva característica (Figura 12).
Figura 12.
    Operando con las ecuaciones anteriores:
PAV  =  V0 × IA(AV)  +  R × ( IA(RMS))2

Esta ecuación se encuentra representada mediante curvas para distintas formas de onda
(sinusoidal, rectangular,...) y para distintos ángulos de conducción en la figura siguiente.
La potencia que se disipa, depende del valor medio de la corriente y del valor eficaz, entonces
dependerá del factor de forma:

                                                                                                          
     a = f =  IA(RMS)   IA(AV) 
Figura 13.


Una vez elegido el tiristor y teniendo en cuenta los parámetros más importantes como son la potencia
total disipada y temperatura, y calculada también la potencia media que disipa el elemento en el caso
más desfavorable, procederemos a calcular el disipador o radiador más apropiado para poder
evacuar el calor generado por el elemento semiconductor al medio ambiente.


     EXTINCIÓN DEL TIRISTOR. TIPOS DE CONMUTACIÓN.

Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en
conducción a pasar a corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos
completamente el control sobre el mismo.

            
El tiristor debe presentar en el tiempo ciertas condiciones para pasar de nuevo a corte. Este estado
implica simultáneamente dos cosas:

1. La corriente que circula por el dispositivo debe quedar completamente bloqueada.
2. La aplicación de una tensión positiva entre ánodo y cátodo no debe provocar un disparo
indeseado del tiristor.
Existen diversas formas de conmutar un tiristor, sin embargo podemos agruparlos en dos grandes
grupos:



           CONMUTACIÓN NATURAL.


    a) Libre.

    b) Asistida.
            
CONMUTACIÓN FORZADA.

a) Por contacto mecánico.
 b) Por circuito resonante.

      -Serie
      -Paralelo
c) Por carga de condensador.
 d) Por tiristor auxiliar.
 APLICACIONES DEL SCR.

Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de
los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en
circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua
en alterna.

          
La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que
su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variar la
tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes
ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se
bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento
empezará a recibir tensión inversa. 

              
Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las
siguientes:

· 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. 
 

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