Qué es un tiristor?

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de potencia empleado como interruptor para permitir o cortar el flujo de corriente eléctrica. Se le denomina componente de potencia porque está diseñado para manejar grandes cantidades de corriente y voltaje, en contraste con otros semiconductores que operan con niveles más bajos.

A menudo, al referirse a los tiristores, se los asocia con los SRC (rectificadores controlados de silicio), debido a que este tipo es el más conocido. Sin embargo, esta asociación no es completamente correcta, ya que existen otros tipos de tiristores además de los SRC.

¿Cómo funciona un tiristor?

Un tiristor funciona mediante tres terminales: el ánodo, el cátodo y la compuerta, también conocida como “gate”. Su funcionamiento es similar al de un relé o un interruptor mecánico. Cuando se aplica una corriente a la terminal de la compuerta, el tiristor se activa y permite el flujo de electricidad a través de él.

Principio de funcionamiento

• Estado de bloqueo (Apagado):

  • En el estado de bloqueo, el tiristor no permite el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo.
  • Para mantenerse en este estado, la tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo debe ser menor que el voltaje de disparo.
• Disparo (Encendido):
  • Para que el tiristor pase del estado de bloqueo al estado de conducción, se debe aplicar una pequeña corriente al terminal de la puerta.
  • Esta corriente de puerta provoca un incremento en la corriente en la unión PN de la puerta, lo que activa la estructura interna del tiristor, permitiendo que la corriente fluya libremente entre el ánodo y el cátodo.
• Estado de Conducción (Encendido):
  • Una vez que el tiristor está encendido, continúa conduciendo corriente incluso si la señal en la puerta se retira.
  • Permanecerá en este estado mientras la corriente a través del ánodo y el cátodo se mantenga por encima de un nivel mínimo llamado corriente de mantenimiento.

• Apagado:

  • Para apagar el tiristor, la corriente a través del dispositivo debe reducirse por debajo de la corriente de mantenimiento. Esto puede lograrse interrumpiendo la corriente del circuito.

Estructura del tiristor

Un tiristor típico es un dispositivo de cuatro capas y tres uniones (PNPN). Tiene tres terminales:

1. Ánodo (A): Terminal positivo.
2. Cátodo (K): Terminal negativo.
3. Puerta o Gate (G): Terminal de control.

Tipos de activación de un tiristor

1. Activación del tiristor por luz: Este es uno de los métodos más sencillos de activación. Consiste en aplicar un haz de luz entre las uniones del tiristor para alcanzar el silicio. Esto aumenta el número de pares electrón-hueco, lo que activa el tiristor.

2. Activación del tiristor por alto voltaje: Este método puede ser peligroso, ya que un mal uso puede dañar el tiristor. Implica crear una corriente de fuga grande que active el componente mediante retroalimentación. Esto se logra al aplicar un voltaje directo desde el ánodo hasta el cátodo que exceda el voltaje de ruptura.

3. Elevación de voltaje entre ánodo y cátodo: Para activar el tiristor mediante este método, se requiere una rápida elevación del voltaje entre el ánodo y el cátodo, lo que influye en la corriente de las uniones. Este método puede ser tan peligroso como el de alto voltaje.

4. Corriente de compuerta: Este método activa el tiristor suministrando una corriente a la compuerta y aplicando un voltaje entre la compuerta y el cátodo. Para desactivar el tiristor, solo se necesita aumentar la corriente de compuerta.

5. Temperatura (método térmico): Este método se basa en el uso de altas temperaturas, las cuales aumentan el número de pares electrón-hueco, similar al método de activación por luz. El incremento de la diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo causa un aumento en las corrientes de fuga, activando el tiristor.

Fabricación del tiristor

Entender cómo se fabrica un componente específico, como el tiristor, es crucial para comprender mejor sus propiedades y su funcionamiento general.

Para la fabricación de tiristores, se emplean comúnmente tres técnicas principales:

1. Técnica de difusión – Aleación
2. Técnica de todo difusión
3. Técnica de barrera aislante

Cada una de estas técnicas tiene características particulares que son importantes conocer. A continuación, te las detallo:

Técnica 1: Difusión y aleación

En esta técnica, se empieza con un disco de silicio tipo N, que es una parte clave del tiristor. Se dopan ambas caras del disco con impurezas tipo P mediante una difusión con galio. Las conexiones del cátodo y el ánodo se realizan con molibdeno, un metal que proviene de minerales con varios estados de oxidación. Finalmente, la conexión de la compuerta se establece con una capa intermedia de aluminio. Esta técnica es específica para dispositivos de alta potencia.

Técnica 2: Todo difusión

En esta técnica, las capas P se obtienen mediante la difusión de galio y aluminio, mientras que las capas N se forman usando un sistema de máscaras de óxido. Esta técnica enfrenta dos grandes desafíos: la construcción de contactos es más delicada y hay múltiples procesos involucrados. Es comúnmente utilizada en dispositivos de baja y mediana potencia, y es la más utilizada en general.

Técnica 3: Barrera aislante

Este proceso comienza con la oxidación de ambas caras de un sustrato de silicio tipo N, seguido de la difusión de material tipo P en ambas caras. Luego se realiza una difusión prolongada a altas temperaturas para formar la unión entre las dos zonas P. Después, se elimina el óxido residual de una cara y se abre una ventana en la otra. Finalmente, se aíslan las zonas tipo N y se realiza una última difusión de P y N. Esta técnica a menudo se combina con la técnica #2, ya que una puede considerarse una variante de la otra.

Características de los Tiristores

Ahora que conoces las diversas técnicas para fabricar estos componentes, es momento de explorar las principales características de los tiristores. Aunque algunas ya las hemos mencionado, aquí te presento las más importantes en detalle:

1. Funcionan como interruptores ideales: Gracias a su arquitectura, los tiristores pueden funcionar como interruptores prácticamente ideales, permitiendo o bloqueando el flujo de corriente según sea necesario.
2. Fácilmente manipulables: Los tiristores pueden ser controlados con relativa facilidad a través de su compuerta, lo que permite un control preciso de los circuitos en los que se utilizan.
3. Capaces de manejar grandes cantidades de potencia: Una de las ventajas más destacadas de los tiristores es su capacidad para manejar grandes corrientes y voltajes, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia.
4. Aplicaciones en electrónica de potencia: Los tiristores se utilizan ampliamente en la electrónica de potencia, en dispositivos como rectificadores controlados, inversores, reguladores de voltaje y controladores de motores.
5. Control de altas tensiones e intensidades: Los tiristores pueden controlar tensiones e intensidades elevadas, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales.
6. Corriente de disparo variable: La corriente necesaria para disparar el tiristor no es fija y puede variar según las condiciones de funcionamiento y el diseño específico del dispositivo.

Dentro de los tiristores, existen dos clasificaciones principales de características: las características estáticas y las características de control.

Características estáticas en un tiristor

Estas características especifican los valores máximos a los que puede llegar el tiristor, y son proporcionadas por el fabricante. Algunos de los parámetros importantes en esta clasificación son:

• Tensión directa (V_T): Es la tensión que se aplica en sentido directo entre el ánodo y el cátodo del tiristor.
• Tensión directa de pico repetitiva (V_DRM): Es la máxima tensión directa que el tiristor puede soportar repetidamente sin entrar en conducción.
• Corriente directa media (I_TAV): Es el valor medio de la corriente directa que puede fluir a través del tiristor en condiciones normales de operación.
• Corriente directa eficaz (I_TRMS): Es el valor eficaz de la corriente directa que puede fluir a través del tiristor.
• Corriente directa de fugas (I_DRM): Es la corriente que fluye a través del tiristor cuando está en estado de bloqueo directo y se aplica una tensión directa.
• Corriente de mantenimiento (I_H): Es la mínima corriente necesaria para mantener el tiristor en estado de conducción.
• Tensión inversa de pico de trabajo (V_RWM): Es la máxima tensión inversa que el tiristor puede soportar en condiciones normales de operación.
• Corriente inversa de fugas (I_RRM): Es la corriente que fluye a través del tiristor cuando está en estado de bloqueo inverso y se aplica una tensión inversa.

Características de control en un tiristor

Estas características están relacionadas con la región de la compuerta y el cátodo, y determinan las propiedades y el funcionamiento del circuito de mando del tiristor. Las más importantes son:

• Potencia máxima (P_GM): Es la máxima potencia que puede manejar la compuerta del tiristor sin dañarse.
• Potencia media (P_GAV): Es la potencia media que puede manejar la compuerta del tiristor en condiciones normales de operación.
• Corriente máxima (I_GM): Es la corriente máxima que puede manejar la compuerta del tiristor.
• Corriente de puerta para el encendido (I_GT): Es la mínima corriente necesaria en la compuerta para encender el tiristor.
• Corriente residual máxima (I_GNT): Es la corriente máxima que puede fluir a través de la compuerta sin que el tiristor se dispare.
• Tensión inversa máxima (V_GRM): Es la máxima tensión inversa que puede soportar la compuerta del tiristor.
• Tensión directa máxima (V_GFM): Es la máxima tensión directa que puede soportar la compuerta del tiristor.

• Tensión compuerta-cátodo para activación (V_GT): Es la mínima tensión que debe aplicarse entre la compuerta y el cátodo para que el tiristor se encienda.

Hasta este punto, hemos cubierto la mayoría de los términos técnicos más importantes relacionados con el tiristor. Ahora, es momento de conocer los diversos tipos de tiristores disponibles en el mercado, su simbología y la funcionalidad de cada uno. Posteriormente, veremos las aplicaciones de este componente significativo en la electrónica.