SCR
¿QUE ES UN SCR?
Son dispositivos de mucha importancia en el mundo de la electrónica y pueden servirnos para muchas cosas: desde la activación de un sistema de alarma hasta gobernar y controlar el encendido de circuitos de potencia como por ejemplo: activación de cargas inductivas como motores, encendido de lámparas con mucha o poca intensidad o regulación de temperatura de un cautín por poner ejemplos muy elementales.
Cabe recordar que hoy en día en muchos de los electrodomésticos, encontramos este maravilloso dispositivo que aunque no es ningún regulador, se comporta como un regulador de señal sinusoidal.
El SCR lo podemos encontrar con frecuencia y lo podemos utilizar dependiendo el tipo de aplicación que como usuario necesitemos desde iluminación hasta sistemas de aspersión, pasando por los famosos cargadores de baterías que sin duda son importantes en la fabricación de estos artefactos.
¿COMO FUNCIONA UN SCR?
Como ya lo hemos mencionado, existen muchas formas de hacerlo sin embargo mencionaremos algunas de las más importantes: por medio de luz artificial lo podemos hacer siempre y cuando haya incidencia de luz en las uniones del SCR o TIRISTOR.
Cuando llega al silicio, los pares de electrones huecos, aumentarán y de esta manera se activará este dispositivo.
En la industria hay un sinnúmero de aplicaciones que requieren que se entregue cierta cantidad de potencia eléctrica de forma variable y controlada en las cuales destacamos la iluminación, control de velocidad, posicionamiento soldadura eléctrica y calentamiento eléctrico que son consideradas las cuatro operaciones más comunes a nivel industrial, siempre es posible controlar la cantidad de potencia eléctrica necesaria que se entrega a una carga siempre y cuando se utilice un transformador variable para proporcionar un voltaje de salida variable.
Desde la década de los 60s está disponible este versátil dispositivo electrónico llamado SCR pequeño y relativamente barato el cual no requiere mantenimiento y su consumo de potencia es muy pero muy pequeño.
Algunos SCR modernos pueden gobernar y/o controlar corrientes del orden de cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes muy elevados que generalmente se encuentran en el orden de los 1000 volts.
Los SCR por esta razón son muy importantes en el campo de la electrónica industrial moderna.
CARACTERISTICAS DE FABRICACIÓN DE LOS SCR.
Este dispositivo semiconductor, de 4 capas de estructura PNPN con tres uniones PN y posee tres pines de conexión que son Ánodo-cátodo-gate o compuerta.
En el gráfico N°1 se muestra el símbolo del SCR o tiristor y una sección recta de tres uniones PN, estos dispositivos se fabrican por difusión de las uniones.
La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL con el fin de mantener la cantidad requerida del flujo de elementos portadores a través de la unión; de lo contrario al reducirse el voltaje del ánodo a cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo.
Se define a la corriente de enganche como la corriente mínima de ánodo requerida para mantener al SCR en estado de conducción inmediatamente después de que este ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta o gate.
Una vez que el SCR o tiristor es activado se comportará como un diodo en conducción y ya no hay un control sobre el dispositivo. Este seguirá conduciendo porque la unión PN no tiene ninguna capa de agotamiento debida a los movimientos libres de los portadores.
Sin embargo si se reduce la corriente directa al ánodo por debajo de una región conocida como corriente de mantenimiento o IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión PN debida al reducido número de electrones portadores y por ende el tiristor estará en estado de bloqueo.
Esta corriente de bloqueo es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche IL lo que significa que IL > IH. La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener al tiristor en estado de régimen permanente, y es menor que la de enganche.
Cuando el voltaje de cátodo es positivo respecto al del ánodo una de las uniones PN tiene polarización directa pero la unión de cada extremo tiene polarización inversa, esto es muy similar a los diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos.
Estará en estado de bloqueo inverso con corriente de fuga inversa conocida como corriente inversa IR y fluirá a través del dispositivo.
Si usted aumenta el voltaje Ak ánodo cátodo más allá de VBo lo más seguro es que el dispositivo sufrirá las consecuencias ya que lo podría destruir.
En la práctica el voltaje directo se mantiene por debajo de VBo y el tiristor se activa mediante una aplicación de voltaje en compuerta y cátodo. La única forma de desactivarlo es des energizando o diseñando un sistema bypass o auto desconexión.
CURVA CARACTERÍSTICA DEL SCR O TIRISTOR.
Los términos para decir popularmente como un SCR está funcionando son: ángulo de disparo y ángulo de conducción: el ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo AC durante los cuales un SCR está en conducción.
El ángulo de disparo es el número de grados de un ciclo AC que transcurren antes que el SCR pase al estado de conducción. Desde luego ,estos términos están basados en la noción que el periodo equivale a 360° grados.
La figura representativa muestra las formas de onda de un circuito de control con SCR para diversos ángulos de disparo.
Interpretemos la primera representación: cuando el ciclo de AC comienza su alternancia positiva, el SCR está completamente bloqueado, por ende el voltaje instantáneo a través de sus terminales ánodo y cátodo, es igual al voltaje de la fuente.
Esto es justamente lo que sucedería si se colocara un interruptor abierto en vez de un SCR.
El SCR empieza a tumbar la totalidad del voltaje de la fuente, el voltaje a través de la carga es cero durante este tiempo.
El extremo izquierdo de las formas de onda ilustra este hecho.
Más adelante a la derecha del eje horizontal de la primera figura muestra que el voltaje de ánodo a cátodo cae a cero después de cerca de un tercio del semiciclo positivo.
Este es el punto correspondiente a 60°.
Cuando el voltaje ánodo-cátodo cae a cero lo que ocurre es que el SCR ha sido CEBADO o ha pasado al estado de conducción.
Por tanto en este caso, el ángulo de disparo es 60°.
Durante los próximos 120° el SCR actúa como un interruptor cerrado sin voltaje a través de sus terminales.
El ángulo de conducción es de 120°, el ángulo de disparo y el de conducción se localizan a 180°.
La forma de onda de la figura de la izquierda (a) muestra que el SCR está cebado, el voltaje de la fuente se aplica a la carga.
El voltaje de la carga sigue al voltaje de la fuente por el resto del semiciclo positivo, hasta cuando el SCR se bloquea de nuevo.
El bloqueo del SCR ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero.
En general estas formas de onda muestran que antes de cebado el SCR, y la totalidad de la carga recibe cero voltaje.
Después del cebado el SCR, la totalidad del voltaje de la fuente cae en la carga, y el SCR tumba cero voltaje bajo esta premisa podemos decir que el SCR actúa como un interruptor de acción rápida.
Las figuras del gráfico que están a la derecha muestran las mismas formas de onda para un ángulo de disparo diferente.
En estas formas de onda, el ángulo de disparo es del orden de los 135° y el ángulo de conducción del orden de los 45°.
La carga recibe el voltaje de la fuente durante un tiempo mucho más corto comparado con el de la figura de la izquierda.
Como resultado, la magnitud promedio de la corriente resultante más pequeña.
Un SCR es cebado por inyección de un pulso de corriente en la puerta, esta corriente de compuerta Ig fluye a través de la unión entre la puerta y el cátodo y sale del SCR por el terminal del cátodo.
La magnitud de la corriente de puerta necesaria para cebar un SCR requieren una corriente de puerta comprendida entre 0.1 y 20 mA para cebarse, dado que entre puerta y cátodo hay una unión pn estándar. Ese voltaje de puerta a cátodo es ligeramente mayor a 0.6 Volts.
En el circuito de la figura: que nivel de voltaje se necesita en el punto X para cebar o activar el SCR? La corriente de puerta necesaria para activar el SCR 2N3669 es de 20 miliamperios bajo condiciones normales.
El voltaje entre el punto X y el cátodo debe ser suficiente para polarizar directamente la unión existente entre los puntos G y K además de ello para producir una corriente de 20 mA a través de la resistencia de 150 ohms.
El voltaje de polarización directo es el orden de 0.6 volts de la ley de ohm 20mA*150 ohm= 3 volts por lo tanto el voltaje necesario es: 3V+0.6V=3.6V.
CIRCUITOS TIPICOS DE CONTROL DE COMPUERTA O CIRCUITOS DE DISPARO CON SCR.
Estos circuitos tienen alta aplicabilidad en la industria y en el comercio puesto que se usan con bastante frecuencia.
El circuito típico de control es un ejemplo de utilización de la misma fuente de voltaje para alimentar ambos circuitos, el circuito de control de puerta y el circuito de carga. Esta modalidad es muy común en circuitos con SCR.
En la figura si la fuente es AC, el funcionamiento es el siguiente: cuando el interruptor está abierto no es posible la circulación de corriente hacia la compuerta.
El SCR nunca pasará a conducción de modo que esencialmente es un circuito abierto en serie con la carga. Por tanto la carga estará desenergizada.
Cuando se cierra el suiche habrá corriente hacia la puerta cuando la fuente de voltaje sea positiva.
El ángulo de disparo está determinado por la posición de la resistencia R2 o resistencia variable si es baja la corriente será suficientemente grande para cebar el SCR cuando la magnitud de la fuente de voltaje sea baja por ende el ángulo de disparo será pequeño y la magnitud promedio de la corriente por la carga será grande.
Si la resistencia variable es grande, la corriente será pequeña y podría haber un calentamiento en esta y la fuente de voltaje debe subir su valor de tensión para poder entregar suficiente corriente a la puerta y lograr cebar o excitar el SCR.
Esto hace que aumente el ángulo de disparo y reducir la magnitud promedio de la corriente de carga.
R1 mantiene un valor fijo de resistencia en el terminal para que R2 sea puesta en cero. Con esto protegeremos el pin de compuerta de sobre corrientes.
Además esta resistencia determina el mínimo ángulo de disparo.
El circuito se puede mejorar es adicionando un condensador en el extremo inferior de la resistencia del terminal de compuerta. Tal como se muestra en la figura.
La ventaja de este circuito es que el ángulo de disparo se puede ajustar a más de 90° esto puede entenderse si nos centramos en el voltaje a través del condensador.
Cuando la fuente AC es negativa lo que ocurrirá es que el voltaje inverso a través del SCR es aplicado a un circuito de disparo RC cargando el condensador con su placa superior negativa y su placa superior positiva.
Cuando la fuente entra en semiciclo positivo el voltaje directo a través del SCR tiende a cargar al condensador en la polaridad opuesta.
Sin embargo la formación de voltaje en la dirección opuesta es retardada hasta cuando la carga negativa sea removida de las placas del condensador.
Este retardo en la aplicación de un voltaje positivo a la puerta puede extenderse más allá de los 90°.
Cuanto mayor sea la magnitud de la resistencia del potenciómetro, más tiempo toma C en cargar positivamente su placa superior y más tarde se cebará el SCR.
Esta idea puede ampliarse utilizando uno cualquiera de los circuitos de disparo de la figura que mostraremos a continuación.
Se ha adicionado en esta modificación una resistencia en el terminal de compuerta y se requiere por tanto que el condensador se cargue por encima de los 0.6 volts para disparar el SCR con la resistencia conectada, el voltaje del condensador debe alcanzar un valor lo suficientemente alto para inyectar la corriente necesaria a través de la resistencia y hacia el terminal de puerta.
Dado que ahora C se carga a un voltaje más alto para que el disparo sea aún más retardado.
En la otra figura podemos apreciar una red RC doble para el control de puerta, lo que sucede aquí es que el voltaje retardado de C1 utilizado para recargar C2, resulta más retardado para la formación del voltaje de puerta.
Los condensadores de esta figura generalmente están en el rango de los 0.01uF a los 1uF.
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