El rectificador controlado por silicio (SCR)

Diodos Shockley y rectificadores controlados por silicio (SCR)

Los diodos Shockley son dispositivos curiosos, pero de aplicación bastante limitada. Sin embargo, su utilidad puede ampliarse equipándolos con otro medio de cierre. Al hacerlo, cada uno se convierte en verdaderos dispositivos amplificadores (aunque solo sea en un modo de encendido / apagado), y nos referimos a ellos como rectificadores controlados por silicio o SCR.

La progresión del diodo Shockley a SCR se logra con una pequeña adición, en realidad nada más que una tercera conexión de cable a la estructura PNPN existente:(Figura siguiente)

El rectificador controlado por silicio (SCR)

Conducción SCR

Si la puerta de un SCR se deja flotando (desconectada), se comporta exactamente como un diodo Shockley. Puede enclavarse mediante voltaje de ruptura o superando la tasa crítica de aumento de voltaje entre el ánodo y el cátodo, al igual que con el diodo Shockley. La caída se logra reduciendo la corriente hasta que uno o ambos transistores internos caen en modo de corte, también como el diodo Shockley. Sin embargo, debido a que el terminal de puerta se conecta directamente a la base del transistor inferior, puede usarse como un medio alternativo para enganchar el SCR. Al aplicar un pequeño voltaje entre la puerta y el cátodo, el transistor inferior será forzado por la corriente base resultante, lo que hará que el transistor superior conduzca, que luego suministra corriente a la base del transistor inferior para que ya no sea necesario activarlo. por un voltaje de puerta. La corriente de puerta necesaria para iniciar el enclavamiento, por supuesto, será mucho más baja que la corriente a través del SCR desde el cátodo al ánodo, por lo que el SCR logra una medida de amplificación.

Activación / activación

Este método de asegurar la conducción de SCR se denomina activación o activación, y es, con mucho, la forma más común de enclavar los SCR en la práctica. De hecho, los SCR generalmente se eligen de manera que su voltaje de ruptura esté mucho más allá del voltaje más alto que se espera que experimente la fuente de energía, de modo que solo se pueda encender mediante un pulso de voltaje intencional aplicado a la puerta.

Activación inversa

Cabe mencionar que los SCR a veces se pueden apagar cortando directamente sus terminales de puerta y cátodo juntos, o "activando en sentido inverso" la puerta con un voltaje negativo (en referencia al cátodo), de modo que el transistor inferior se fuerce a entrar. cortar. Digo que esto es "a veces" posible porque implica desviar toda la corriente del colector del transistor superior más allá de la base del transistor inferior. Esta corriente puede ser sustancial, lo que dificulta en el mejor de los casos el apagado activado de un SCR. Una variación del SCR, llamada tiristor Gate-Turn-Off, o GTO, facilita esta tarea. Pero incluso con un GTO, la corriente de compuerta requerida para apagarlo puede ser hasta el 20% de la corriente del ánodo (carga). El símbolo esquemático de un GTO se muestra en la siguiente ilustración:(Figura siguiente)

El tiristor de apagado de la puerta (GTO)

SCR frente a GTO

Los SCR y GTO comparten los mismos esquemas equivalentes (dos transistores conectados en una forma de retroalimentación positiva), las únicas diferencias son los detalles de construcción diseñados para otorgar al transistor NPN un β mayor que el PNP. Esto permite que una corriente de puerta más pequeña (directa o inversa) ejerza un mayor grado de control sobre la conducción desde el cátodo al ánodo, y el estado de enclavamiento del transistor PNP depende más del NPN que viceversa. El tiristor Gate-Turn-Off también se conoce con el nombre de interruptor controlado por puerta, o GCS.

Prueba de la funcionalidad SCR con un ohmímetro

Se puede realizar una prueba rudimentaria de la función SCR, o al menos la identificación del terminal, con un ohmímetro. Debido a que la conexión interna entre la puerta y el cátodo es una unión PN única, un medidor debe indicar la continuidad entre estos terminales con el cable de prueba rojo en la puerta y el cable de prueba negro en el cátodo de esta manera:(Figura siguiente)

Prueba rudimentaria de SCR

Todas las demás mediciones de continuidad realizadas en un SCR mostrarán "abierto" ("OL" en algunas pantallas de multímetros digitales). Debe entenderse que esta prueba es muy burda y no constituye una evaluación integral del SCR. Es posible que un SCR dé buenas indicaciones de ohmímetro y aún tenga defectos. En última instancia, la única forma de probar un SCR es someterlo a una corriente de carga.

Si está utilizando un multímetro con una función de "verificación de diodo", la indicación de voltaje de unión de puerta a cátodo que obtiene puede corresponder o no a lo que se espera de una unión PN de silicio (aproximadamente 0,7 voltios). En algunos casos, leerá un voltaje de unión mucho más bajo:meras centésimas de voltio. Esto se debe a una resistencia interna conectada entre la puerta y el cátodo incorporados dentro de algunos SCR. Esta resistencia se agrega para hacer que el SCR sea menos susceptible a disparos falsos por picos de voltaje espurios, por "ruido" del circuito o por descargas eléctricas estáticas. En otras palabras, tener una resistencia conectada a través de la unión puerta-cátodo requiere que se aplique una fuerte señal de activación (corriente sustancial) para bloquear el SCR. Esta función se encuentra a menudo en SCR más grandes, no en SCR pequeños. Tenga en cuenta que un SCR con una resistencia interna conectada entre la puerta y el cátodo indicará continuidad en ambas direcciones entre esos dos terminales:(Figura siguiente)

Los SCR más grandes tienen una resistencia de puerta a cátodo.

SCR de puerta sensible

Los SCR "normales", que carecen de esta resistencia interna, a veces se denominan SCR de puerta sensible debido a su capacidad para activarse con la más mínima señal de puerta positiva.

El circuito de prueba para un SCR es práctico como herramienta de diagnóstico para verificar los SCR sospechosos y también una excelente ayuda para comprender el funcionamiento básico del SCR. Se usa una fuente de voltaje de CC para alimentar el circuito, y se usan dos interruptores de botón para enganchar y desenganchar el SCR, respectivamente:(Figura siguiente)

Circuito de prueba SCR

La activación del interruptor de botón normalmente abierto conecta la puerta al ánodo, permitiendo la corriente desde el terminal positivo de la batería, a través de la resistencia de carga, a través del interruptor, a través de la unión PN cátodo-puerta y de regreso a la batería. Esta corriente de puerta debe forzar al SCR a engancharse, permitiendo que la corriente vaya directamente de ánodo a cátodo sin dispararse más a través de la puerta. Cuando se suelta el botón de "encendido", la carga debe permanecer energizada.

Al presionar el interruptor de botón "apagado" normalmente cerrado, se interrumpe el circuito, lo que obliga a detener la corriente a través del SCR, lo que lo obliga a apagarse (caída de corriente baja).

Manteniendo la corriente

Si el SCR no se engancha, el problema puede estar en la carga y no en el SCR. Se requiere una cierta cantidad mínima de corriente de carga para mantener el SCR bloqueado en el estado "encendido". Este nivel mínimo de corriente se llama corriente de mantenimiento. Una carga con un valor de resistencia demasiado grande puede no consumir suficiente corriente para mantener un SCR bloqueado cuando cesa la corriente de la puerta, dando así la falsa impresión de un SCR defectuoso (no bloqueable) en el circuito de prueba. Los fabricantes deberían poder mantener los valores actuales para diferentes SCR. Los valores típicos de la corriente de retención oscilan entre 1 miliamperio y 50 miliamperios o más para unidades más grandes.

Para que la prueba sea completamente completa, es necesario probar más que la acción desencadenante. El límite de voltaje de ruptura directo del SCR se puede probar aumentando el suministro de voltaje de CC (sin interruptor de botón activado) hasta que el SCR se enganche por sí solo. Tenga en cuenta que una prueba de ruptura puede requerir un voltaje muy alto:¡muchos SCR de potencia tienen clasificaciones de voltaje de ruptura de 600 voltios o más! Además, si está disponible un generador de voltaje de pulso, la tasa crítica de aumento de voltaje para el SCR podría probarse de la misma manera:someterlo a voltajes de alimentación pulsantes de diferentes tasas de V / tiempo sin interruptores de botón pulsadores activados y ver cuándo se engancha.

En esta forma simple, el circuito de prueba SCR podría ser suficiente como circuito de control de arranque / parada para un motor de CC, lámpara u otra carga práctica:(Figura siguiente)

Circuito de control de arranque / parada del motor de CC

El circuito "Crowbar"

Otro uso práctico del SCR en un circuito de CC es como dispositivo de palanca para protección contra sobretensiones. Un circuito de “palanca” consiste en un SCR colocado en paralelo con la salida de una fuente de alimentación de CC, para colocar un cortocircuito directo en la salida de esa fuente para evitar que un voltaje excesivo llegue a la carga. El daño al SCR y a la fuente de alimentación se evita mediante la colocación juiciosa de un fusible o una resistencia sustancial en serie delante del SCR para limitar la corriente de cortocircuito:(Figura siguiente)

Circuito de palanca utilizado en la fuente de alimentación de CC

Algunos dispositivos o circuitos que detectan el voltaje de salida se conectarán a la compuerta del SCR, de modo que cuando ocurra una condición de sobretensión, se aplicará voltaje entre la compuerta y el cátodo, lo que activará el SCR y obligará a que se queme el fusible. El efecto será aproximadamente el mismo que dejar caer una palanca de acero sólido directamente a través de los terminales de salida de la fuente de alimentación, de ahí el nombre del circuito.

La mayoría de las aplicaciones del SCR son para el control de energía de CA, a pesar de que los SCR son inherentemente dispositivos de CC (unidireccionales). Si se requiere corriente de circuito bidireccional, se pueden usar varios SCR, con uno o más orientados en cada dirección para manejar la corriente a través de ambos semiciclos de la onda de CA. La razón principal por la que los SCR se utilizan para aplicaciones de control de energía de CA es la respuesta única de un tiristor a una corriente alterna. Como vimos, el tubo de thyratron (la versión de tubo de electrones del SCR) y el DIAC, un dispositivo histerético que se activa durante una parte de un medio ciclo de CA, se enganchará y permanecerá encendido durante el resto del medio ciclo hasta que la CA la corriente disminuye a cero, como debe ser para comenzar el siguiente medio ciclo. Justo antes del punto de cruce por cero de la forma de onda actual, el tiristor se apagará debido a una corriente insuficiente (este comportamiento también se conoce como conmutación natural) y debe dispararse nuevamente durante el siguiente ciclo. El resultado es una corriente de circuito equivalente a una onda sinusoidal "cortada". A modo de revisión, aquí está el gráfico de la respuesta de un DIAC a un voltaje de CA cuyo pico excede el voltaje de ruptura del DIAC:(Figura siguiente)

Respuesta bidireccional DIAC

Con el DIAC, ese límite de voltaje de ruptura era una cantidad fija. Con el SCR, tenemos control sobre exactamente cuándo se bloquea el dispositivo al activar la puerta en cualquier momento a lo largo de la forma de onda. Al conectar un circuito de control adecuado a la puerta de un SCR, podemos "cortar" la onda sinusoidal en cualquier punto para permitir el control de potencia proporcional en el tiempo a una carga.

Tome el circuito de la Figura siguiente como ejemplo. Aquí, un SCR se coloca en un circuito para controlar la energía a una carga desde una fuente de CA.

Control SCR de alimentación de CA

Al ser un dispositivo unidireccional (unidireccional), como máximo, solo podemos entregar potencia de media onda a la carga, en el medio ciclo de CA donde la polaridad del voltaje de suministro es positiva en la parte superior y negativa en la parte inferior. Sin embargo, para demostrar el concepto básico de control proporcional al tiempo, este circuito simple es mejor que uno que controla la potencia de onda completa (que requeriría dos SCR).

Sin disparar a la puerta, y el voltaje de la fuente de CA está muy por debajo de la clasificación de voltaje de ruptura del SCR, el SCR nunca se encenderá. La conexión de la puerta SCR al ánodo a través de un diodo rectificador estándar (para evitar la corriente inversa a través de la puerta en el caso de que el SCR contenga una resistencia de cátodo de puerta incorporada) permitirá que el SCR se active casi inmediatamente al comienzo de cada semiciclo positivo:(Figura siguiente)

Puerta conectada directamente al ánodo a través de un diodo; corriente de media onda casi completa a través de la carga.

Retardo de activación de SCR

Sin embargo, podemos retrasar la activación del SCR insertando algo de resistencia en el circuito de la puerta, aumentando así la cantidad de caída de voltaje requerida antes de que una corriente de puerta suficiente active el SCR. En otras palabras, si dificultamos que la corriente fluya a través de la puerta agregando una resistencia, el voltaje de CA tendrá que alcanzar un punto más alto en su ciclo antes de que haya suficiente corriente de la puerta para encender el SCR. El resultado se muestra en la Figura siguiente.

Resistencia insertada en el circuito de la puerta; corriente de menos de media onda a través de la carga.

Con la media onda sinusoidal cortada en mayor grado por un disparo retardado del SCR, la carga recibe menos energía promedio (la energía se entrega durante menos tiempo a lo largo de un ciclo). Al hacer que la resistencia de la compuerta en serie sea variable, podemos realizar ajustes en la potencia proporcional al tiempo:(Figura siguiente)

Al aumentar la resistencia, se eleva el nivel de umbral, lo que hace que se entregue menos energía a la carga. Disminuir la resistencia reduce el nivel de umbral, lo que hace que se entregue más potencia a la carga.

Desafortunadamente, este esquema de control tiene una limitación significativa. Al usar la forma de onda de la fuente de CA para nuestra señal de activación de SCR, limitamos el control a la primera mitad del semiciclo de la forma de onda. En otras palabras, no es posible que esperemos hasta después del pico de la ola para activar el SCR. Esto significa que podemos reducir la potencia solo hasta el punto en que el SCR se enciende en el pico de la ola:(Figura siguiente)

Circuito con configuración de potencia mínima

Si se aumenta más el umbral de activación, el circuito no se activará en absoluto, ya que ni siquiera el pico del voltaje de alimentación de CA será suficiente para activar el SCR. El resultado será que no llegue energía a la carga.

Una solución ingeniosa a este dilema de control se encuentra en la adición de un capacitor de cambio de fase al circuito:(Figura siguiente)

Adición de un condensador de cambio de fase al circuito

La forma de onda más pequeña que se muestra en el gráfico es el voltaje a través del capacitor. Con el fin de ilustrar el cambio de fase, estoy asumiendo una condición de máxima resistencia de control en la que el SCR no se dispara en absoluto sin corriente de carga, salvo la poca corriente que pasa por la resistencia de control y el condensador. Este voltaje del capacitor se desplazará de fase en cualquier lugar de 0o a 90o retrasado con respecto a la forma de onda de CA de la fuente de alimentación. Cuando este voltaje de fase desplazada alcanza un nivel suficientemente alto, el SCR se disparará.

Con suficiente voltaje en el capacitor para activar periódicamente el SCR, la forma de onda de corriente de carga resultante se verá como en la Figura siguiente)

La señal con cambio de fase activa SCR en conducción.

Debido a que la forma de onda del capacitor sigue aumentando después de que la forma de onda de potencia de CA principal ha alcanzado su pico, es posible activar el SCR a un nivel de umbral más allá de ese pico, cortando así la onda de corriente de carga más de lo que era posible con el circuito más simple. En realidad, la forma de onda de voltaje del capacitor es un poco más compleja que la que se muestra aquí, su forma sinusoidal se distorsiona cada vez que el SCR se engancha. Sin embargo, lo que estoy tratando de ilustrar aquí es la acción de activación retardada obtenida con la red RC de cambio de fase; por lo tanto, una forma de onda simplificada y sin distorsiones cumple bien este propósito.

Activación de SCR por circuitos complejos

Los SCR también pueden activarse o "activarse" mediante circuitos más complejos. Si bien el circuito que se mostró anteriormente es suficiente para una aplicación simple como el control de una lámpara, los controles de motores industriales grandes a menudo se basan en métodos de activación más sofisticados. A veces, los transformadores de pulso se utilizan para acoplar un circuito de activación a la puerta y al cátodo de un SCR para proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de activación y de alimentación.

El acoplamiento del transformador de la señal del disparador proporciona aislamiento.

Cuando se utilizan varios SCR para controlar la energía, sus cátodos a menudo no son eléctricamente comunes, lo que dificulta la conexión de un solo circuito de activación a todos los SCR por igual. Un ejemplo de esto es el puente rectificador controlado que se muestra en la Figura siguiente.

Puente rectificador controlado

En cualquier circuito puente rectificador, los diodos rectificadores (en este ejemplo, los SCR rectificadores) deben conducir en pares opuestos. SCR1 y SCR3 deben dispararse simultáneamente, y SCR2 y SCR4 deben dispararse juntos como un par. Sin embargo, como notará, estos pares de SCR no comparten las mismas conexiones de cátodo, lo que significa que no funcionaría simplemente en paralelo con sus respectivas conexiones de compuerta y conectar una sola fuente de voltaje para activar ambos:(Figura siguiente)

Esta estrategia no funcionará para activar SCR2 y SCR4 como pareja.

Aunque la fuente de voltaje de activación que se muestra activará el SCR4, no activará el SCR2 correctamente porque los dos tiristores no comparten una conexión de cátodo común para hacer referencia a ese voltaje de activación. Sin embargo, los transformadores de pulso que conectan las dos puertas de tiristores a una fuente de voltaje de activación común funcionarán:(Figura siguiente)

El acoplamiento del transformador de las puertas permite la activación de SCR2 y SCR4.

Tenga en cuenta que este circuito solo muestra las conexiones de puerta para dos de los cuatro SCR. Los transformadores de impulsos y las fuentes de activación para SCR1 y SCR3, así como los detalles de las propias fuentes de impulsos, se han omitido en aras de la simplicidad.

Los puentes rectificadores controlados no se limitan a diseños monofásicos. En la mayoría de los sistemas de control industrial, la energía de CA está disponible en forma trifásica para una máxima eficiencia, y los circuitos de control de estado sólido están construidos para aprovechar eso. Un circuito rectificador controlado trifásico construido con SCR, sin transformadores de pulso o circuitos de activación que se muestran, se vería como en la Figura siguiente.

Control de carga SCR de puente trifásico

REVISAR: Un rectificador controlado por silicio, o SCR, es esencialmente un diodo Shockley con un terminal adicional agregado. Este terminal adicional se llama puerta y se utiliza para activar el dispositivo en conducción (bloquearlo) mediante la aplicación de un pequeño voltaje. Para activar o disparar un SCR, se debe aplicar voltaje entre la puerta y el cátodo, positivo a la puerta y negativo al cátodo.

Al probar un SCR, una conexión momentánea entre la puerta y el ánodo es suficiente en polaridad, intensidad y duración para activarlo. Los SCR pueden dispararse por un disparo intencional del terminal de la puerta, voltaje excesivo (ruptura) entre el ánodo y el cátodo, o una tasa excesiva de aumento de voltaje entre el ánodo y el cátodo. Los SCR pueden desactivarse si la corriente del ánodo cae por debajo del valor de la corriente de retención (caída de corriente baja) o mediante el “encendido inverso” de la puerta (aplicando un voltaje negativo a la puerta). El disparo inverso solo es efectivo a veces y siempre implica una alta corriente de puerta.

Una variante del SCR llamada tiristor Gate-Turn-Off (GTO), está específicamente diseñada para apagarse mediante activación inversa. Incluso entonces, el disparo inverso requiere una corriente bastante alta:típicamente el 20% de la corriente del ánodo. Los terminales SCR pueden identificarse mediante un medidor de continuidad:los únicos dos terminales que muestren alguna continuidad entre ellos deben ser la puerta y el cátodo. Los terminales de puerta y cátodo se conectan a una unión PN dentro del SCR, por lo que un medidor de continuidad debe obtener una lectura similar a un diodo entre estos dos terminales con el cable rojo (+) en la puerta y el cable negro (-) en el cátodo. Sin embargo, tenga en cuenta que algunos SCR grandes tienen una resistencia interna conectada entre la puerta y el cátodo, lo que afectará cualquier lectura de continuidad tomada por un medidor.

Los SCR son verdaderos rectificadores:solo permiten que la corriente los atraviese en una dirección. Esto significa que no se pueden usar solos para el control de energía de CA de onda completa. Si los diodos en un circuito rectificador son reemplazados por SCR, usted tiene las características de un circuito rectificador controlado, por lo que la potencia de CC a una carga puede ser proporcional en el tiempo activando los SCR en diferentes puntos a lo largo de la forma de onda de potencia de CA.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de tiristores