EL TIRISTOR Y EL TRIAC

José Luis Giordano Septiembre 19, 2006 (Última revisión: Septiembre 19, 2006)

1-QUÉ ES

Un SCR o TIRISTOR es un componente electrónico de estado sólido (sin partes móviles) de 3 terminales: ánodo (A), cátodo (K) y un electrodo de control denominado puerta (G, gate), desarrollado por la General Electric (U.S.A.) en 1957 (10 años después de la invención del transistor).

Es un dispositivo unidireccional (es decir, que deja circular la corriente eléctrica en un solo sentido: desde A hacia K como un diodo rectificador semiconductor), pero además del estado ON (conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: OFF (cortado, sin conducir). Si el voltaje VGK entre G y K es el adecuado, conduce desde A hacia K. Su nombre SCR (silicon controlled rectifier) proviene de ser como un rectificador de silicio, pero controlado a través de G. Es la versión en estado sólido de los antiguos tubos tiratrones, y de ahí su nombre: thyristor, thyratron y transistor.

Mientras que el tiristor es un diodo controlado y por lo tanto, en general se utiliza en circuitos de control de corriente continua (DC, direct current), el TRIAC es como un tiristor bidireccional, para utilizar en circuitos de corriente alterna (AC, altern current). Sus terminales en vez de K y A se denominan Terminal Principal 1 (MT1) y Terminal Principal 2 (MT2). El electrodo de control se denomina puerta, G, como en el tiristor. Si el voltaje VG1 entre G y MT1 es suficientemente positivo, en el primer semiciclo AC conduce desde MT2 hacia MT1 (como lo haría un tiristor). Pero en el otro semiciclo, si el voltaje VG1 es suficientemente negativo, conduce desde MT1 hacia MT2.

En la Figura siguiente se muestra el símbolo del SCR y del triac, en circuitos básicos donde una fuente DC y otra AC alimentan una "carga" (que puede ser un motor, calefactor, etc.) a través del respectivo dispositivo de conmutación. En la parte inferior derecha se muestran dos tiristores conectados en "anti-paralelo" (o "back-to-back"), indicando que la función del triac puede ser implementada con dos SCRs de ese modo.

2-PARA QUÉ SIRVE

El tiristor y el triac sirven como dispositivos de conmutación de estado sólido en DC y en AC respectivamente. Es decir, son como interruptores (switches) pero rápidos, silenciosos, sin partes móviles, sin contactos electromecánicos y que pueden controlarse electrónicamente.

Estos componentes se utilizan en circuitos como por ejemplo controles de velocidad de motores o de intensidad de iluminación de ampolletas (dimmers), para activar sistemas de protección, o en convertidores de voltaje para viajes, cargadores de baterías, magnetizadores de imanes, relays de estado sólido (SSR), controles de temperatura de hornos, etc.

3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

Como los diodos semiconductores de silicio, los SCR y los triacs se construyen uniendo materiales semiconductores tipo-p, de silicio (Si) dopado con elementos del Grupo III-A como el aluminio (Al), galio (Ga) o indio (In), y semiconductores tipo-n, de Si dopado con elementos del Grupo V-A como fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb).

Mientras que un diodo rectificador np está formado por una unión de 2 capas, una tipo-n (el K) y otra tipo-p (el A), el SCR está hecho de 4 capas pnpn de semiconductores: tipo-p (el A), tipo-n, tipo-p (la G) y tipo-n (el K). A la izquierda de la siguiente Figura se puede ver el símbolo del SCR y un diagrama esquemático de su estructura. Tres capas forman un sandwhich: tipo-p (el A), tipo-n y tipo-p. Finalmente, el K se construye difundiendo material tipo-n sobre la última capa tipo-p, y G se conecta muy cerca de K, sobre la misma capa de material tipo-p.

El triac está hecho de forma análoga a dos tiristores puestos en antiparalelo, como si fuese un dispositivo de 5 capas npnpn de semiconductores. Su estructura central es un sandwhich: tipo-p, tipo-n y tipo-p, como el tiristor. Pero el material tipo-n se difunde sobre ambas capas tipo-p, para que funcionen como cátodos K en cada uno de los sentidos de conducción. El MT2 se conecta a una capa tipo-p y a la tipo-n difundida sobre ella. En el otro extremo, se hace lo mismo con el MT1. Y el G también está en contacto con la capa tipo-p y una porción de tipo-n difundida sobre ella.

El tamaño de un SCR o de un TRIAC puede ser relativamente pequeño o grande, ya que como en el caso de los transistores, el encapsulado (que es lo que vemos desde fuera) varía según la potencia que deben disipar y la corriente máxima de trabajo. Hay algunos enormes, para más de 1500 A, de diámetros entre 5 y 10 cm y con cátodos y ánodos del grosor de un dedo. Estos pueden costar unos USD 1000 o más! Otros en cambio son pequeños (menos de 1 cm3), baratos (menos de USD 1), y operan con menos de 1 A. El BT 136-600 que se muestra en la Figura siguiente sobre la esquina superior derecha de la página de un libro, cuesta unos USD 2, tiene menos de 3 cm de largo, y conduce hasta 6 A, en circuitos AC de 380Vrms.

4-CÓMO FUNCIONA

El funcionamiento del tiristor se puede entender como un circuito simple formado por dos transistores bipolares:

(a) Cuando a un transistor bipolar pnp de silicio se le aplica un voltaje VBE suficientemente negativo de base (B) a emisor (E) (menor que -0.6 V),

o cuando a un transistor bipolar npn de Si se le aplica un voltaje VBE suficientemente positivo de B a E (mayor que 0.6 V),

el transistor conmuta de OFF a ON, es decir, se satura (conduce toda la corriente que el circuito y él mismo permitan, desde E hacia el colector C en el pnp, o desde C hacia E en el npn).

(b) Un transistor bipolar amplifica la corriente de base IB aproximadamente en un parámetro B ("beta del transistor"), es decir, la corriente de colector es aproximadamente IC = B IB. Pero el parámetro beta depende de la corriente IC.

Ahora bien, considérese primero un TIRISTOR al que solo se le aplica un voltaje VAK > 0 V.

Si se considera al tiristor como un transistor Tr1 npn de ganancia B1 conectado con un transistor Tr2 pnp de ganancia B2 como se esquematiza a la derecha de la Figura siguiente, se observa que:

(1) Inicialmente no hay conducción (IA = 0 A, tiristor abierto, OFF).

(2) Cuando se aplica un voltaje VGK de G a K suficientemente positivo, una corriente de puerta IG dispara al tiristor, comenzando la conducción desde A hacia K (conmuta de OFF a ON, tiristor cerrado).

(3) Después del disparo, cuando IG = 0 A, la corriente de ánodo IA del tiristor visto como 2 transistores, resulta aproximadamente igual a IA = B1 (B2+1) IB1. Del análisis del circuito, se ve que durante la conducción las corrientes se ajustan para que B1 B2 = 1.

(4) Mientras haya voltaje VAK desde A hacia K suficientemente positivo, seguirá existiendo corriente IA (aunque IG = 0 A), ya que la corriente de colector del Tr2 mantiene alimentada la base del Tr1. Esta es la clave del funcionamiento de un SCR, que comienza a conducir desde A hacia K, por la señal que hubo en G.

El funcionamiento del TRIAC en cada semiciclo AC, está basado en el funcionamiento del tiristor en DC. El triac puede estudiarse como dos tiristores conectados en anti-paralelo, pero con un solo electrodo de control G. De hecho, circuitos de potencia para corrientes AC superiores a 700 A, suelen implementarse con dos tiristores.

En la Figura anterior se muestran las correspondientes curvas características:

IA vs. VAK: corriente de ánodo versus voltaje ánodo-cátodo para el SCR, y

I2 vs. V21: corriente en el MT2 versus voltaje entre MT2 y MT1, para el triac,

que resumen el comportamiento de estos componentes de conmutación. La zona de corte y saturación (OFF-ON), se encuentra en el cuadrante I para el dispositivo unidireccional (SCR) y en los cuadrantes I y III para el bidireccional (triac). Se observa que el voltaje principal debe llegar a un cierto valor para producir el disparo. Este valor cambia según las condiciones en la puerta. Una vez disparado, el voltaje entre A y K (o entre MT2 y MT1) disminuye al valor de conducción, VON, que es de unos pocos volt (lo que sería 0 V en un interruptor perfecto). Este voltaje residual multiplicado por la corriente principal (IA o I2) determinan la potencia que el encapsulado del componente debe disipar.

En la curva característica del SCR también se ve en el cuadrante III, una corriente inversa de fuga, y para un valor alto de voltaje inverso, la zona de ruptura, donde se destruiría el dispositivo.

Comentario acerca de los mecanismos de disparo

El disparo por corriente en G, se denomina cebado por puerta. Pero este disparo puede producirse por corrientes inyectadas accidentalmente o intencionalmente. Los casos más importantes son:

(1) Cuando el tiristor está OFF y el voltaje entre A y K cambia con un ritmo VAK/ t, se produce una corriente iT debida a la capacidad CT de transición, entre las cargas q a un lado y al otro de la unión:

iT = q/ t = ( q/ VAK) x ( VAK/ t) = CT ( VAK/ t)

O sea, aparece una capacidad equivalente CT = q/ VAK.

Por lo tanto, un valor muy grande de VAK/ t puede producir accidentalmente el disparo.

(2) Cuando una unión semiconductora está polarizada inversamente, hay una fuga de corriente inversa, que depende del material y de la temperatura. Si el voltaje VAK es muy grande, la corriente inversa es mayor, y también podría dispararse accidentalmente el tiristor.

(3) La corriente inversa aumenta al doble cada 14°C aproximadamente. Por lo tanto, un aumento en la temperatura, también podría producir un disparo accidental. Estos casos deben tenerse en cuenta en el diseño de circuitos con conmutadores de estado sólido.

(4) Los tiristores diseñados con ventanas transparentes permiten la creación electrón-agujero a partir de los fotones absorbidos por la unión semiconductora polarizada inversamente. Por lo tanto, mediante la luz también pueden dispararse tiristores. Este es el fundamento de los fototiristores o LASCR (light activated SCR).

Comentario acerca de los componentes de disparo

Finalmente hay que mencionar que así como el tiristor y el triac son componentes DC y AC de conmutación (switching devices), existen componentes DC y AC de disparo ( triggering devices), utilizados para disparar tiristores y a triacs.

Dependiendo del circuito y de la aplicación, un tiristor se puede disparar con un conmutador unilateral de silicio (SUS, silicon unilateral switch), que dispara a un voltaje fijo entre 6 a 10 V. Otra opción es dispararlos con un transistor uniunión (UJT, unijunction transistor), que dispara a diferentes voltajes, o un transistor uniunión programable (PUT, programmable unijunction transistor). Otro componente utilizado es el diodo de 4 capas o diodo Shockley. También pueden dispararse con otro tiristor, ampolleta de neón, transistores, relays y a través de un transformador.

En un circuito AC el triggering device debe ser también bidireccional. Los triacs se pueden disparar con un elemento simétrico denominado DIAC (diode altern current), que posee un voltaje de disparo de aproximadamente + y - 32 V. En algunos casos se utiliza un disparador asimétrico, y como en los tiristores, un triac puede dispararse con otro triac, relays o a través de un transformador.

Tanto tiristores como triacs típicos, una vez disparados siguen conduciendo mientras haya voltage y corriente. Pero cuando el voltaje entre los electrodos principales cruza por cero y/o desaparece la corriente, conmutan a OFF y hay que volver a dispararlos.

REFERENCIAS

(1) Lilen H 1973 Thiristors et Triacs; Seconde édition (Paris: Radio) Traducción al Castellano: 1976 Tiristores y Triacs (Barcelona: Marcombo)

(2) Motorola Inc. 1989 Thyristor Device Data; Serie C, 3rd Printing DL 137 REV 3 (USA: Motorola)

(3) Encyclopædia Britannica (Consultado en Julio 30, 2006) semiconductor device (página 13 de 15)

(4) Wikipedia (Consultado en Julio 30, 2006) Thyristor

Otros artículos de J. L. Giordano

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA

XV PRÁCTICA XV

CONMUTACIÓN CON DIAC Y TRIAC

1. EL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)

En esta práctica se van a estudiar dos dispositivos de potencia: el TRIAC, como

ejemplo de dispositivo de control y el DIAC, como ejemplo de dispositivo de disparo.

No obstante, para entender mejor estos dispositivos resulta interesante introducir

previamente el rectificador controlado de silicio (SCR, Silicon Controlled Rectifier).

El SCR es un dispositivo de tres terminales (ánodo, cátodo y puerta) y cuatro

capas (pnpn), cuya estructura se muestra en la figura 1, junto con su símbolo circuital.

Al aplicar al SCR una tensión VAK positiva, las uniones JA y JK quedan

polarizadas en directa, mientras que la unión JC (control) se polariza en inversa, de

modo que la corriente es prácticamente nula y toda la tensión VAK cae en la unión JC. Si

la tensión VAK supera el valor de ruptura de la unión JC (VB0); o lo que es lo mismo, si la

corriente del ánodo IA supera el valor de enclavamiento IL, se produce un brusco

aumento de la corriente; es decir, se produce el disparo del SCR.

Una vez que se ha producido el disparo, disminuye la resistividad de las capas,

especialmente de la capa n–, con lo que la tensión VAK necesaria para mantener la

conducción disminuye considerablemente. Además, el SCR no limita la corriente por lo

que será necesario limitarla externamente. Para que el SCR vuelva a su estado de corte

es necesario que la corriente del ánodo disminuya por debajo del valor de

mantenimiento IH.

La tensión a la que se produce el disparo puede controlarse mediante la corriente

de puerta IG. A medida que IG aumenta, el disparo se produce para un valor de VAK

menor.

n+

A (ánodo)

G (puerta)K (cátodo)

p+

p

n–

p

n+

JA

JC

JK

A

K

G

Figura 1. Estructura y símbolo circuital del SCR.

Si VAK es negativa el SCR se comporta como un diodo, con una corriente

negativa muy pequeña, salvo que se supere una determinada tensión de ruptura VB.

La figura 2 muestra las características de un SCR, en las que se han identificado

los estados de conducción, bloqueo directo y bloqueo inverso.

2. EL TRIAC

La estructura y el símbolo circuital del TRIAC se muestran en la figura 3. El

TRIAC es un dispositivo de 3 terminales y 5 capas, que puede entenderse, en primera

aproximación, como dos SCR conectados en antiparalelo. Su comportamiento es similar

al del SCR, con la diferencia de que puede dispararse tanto para tensiones positivas

como para tensiones negativas. Por esta razón, no se distingue entre ánodo y cátodo,

sino que sus terminales se designan por A1, A2 (ánodos) y G (puerta).

La principal aplicación del TRIAC es el control de señales de baja potencia en

circuitos de corriente alterna.

VAK

IA

VB0

VB IH

ILIG2 IG1 IG = 0

IG2 > IG1 > 0

conducción

bloqueo directobloqueo inverso

destrucción

Figura 2. Características estáticas del SCR.

Las características estáticas del TRIAC se muestran en la figura 4. Prescindiendo

del estado de bloqueo, en el que la corriente del TRIAC es prácticamente nula, se

distinguen 4 modos de funcionamiento dependiendo de los signos de las diferencias de

tensión VA1A2 y VGA2. El valor de la corriente de puerta mínima de disparo depende de en

qué modo de operación trabaje el TRIAC. Un estudio detallado de estos modos de

operación puede encontrarse en la referencia 1.

Figura 3. Estructura del TRIAC, circuito equivalente como dos SCR y símbolo circuital.

n4

A1

A2G

p1 n1

n2

p2

n3

A1

A2

+

VA1A2

–

IA1

IG

G

A2

A1

VA1A2

IA1

VB0

–VB0IH

+

IL+ IG2 IG1 IG = 0

IG2 > IG1 > 0

conducción

bloqueo directo

bloqueo inverso

conducción

Figura 4. Características estáticas del TRIAC.

IG2IG1IG = 0

IL–

IH–

3. EL DIAC

El DIAC es un dispositivo de disparo que puede utilizarse para generar el

impulso de corriente de puerta necesario para disparar un elemento de control, como un

SCR o un TRIAC.

EL DIAC es un elemento de dos terminales y 5 capas (figura 5) diseñado para

dispararse cuando la tensión entre sus terminales supera la tensión de ruptura de la

unión pn central. Una vez disparado, la tensión entre sus extremos disminuye, aunque

mantiene la conducción. Al igual que el TRIAC, el DIAC permite la conducción en

ambos sentidos por lo que no tiene sentido distinguir entre cátodo y ánodo.

En el apéndice A se muestra la curva característica estática del DIAC DB3, que

se utilizará en esta práctica.

4. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

4.1. OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON DIAC

El circuito de la figura 6 se comporta como

un oscilador de relajación que aprovecha los

cambios de estado del DIAC. Supongamos en

principio que el condensador se encuentra

descargado y el DIAC, por lo tanto, está en su

estado de bloqueo. Al conectar la fuente, el

condensador se cargará con una constante de tiempo

Figura 5. Estructura y símbolo circuital del DIAC.

IA2

A2

A1

A2

A1

n p

n

np

IA2

VS

Figura 6. Oscilador de relajación con DIAC.

+VC

–C

R

= RC. El proceso de carga durará hasta que la diferencia de potencial en los extremos

del condensador iguale la tensión de disparo VB0 del DIAC. EN este momento, el DIAC

se disparará, con lo que la corriente en el DIAC aumentará y la tensión entre sus

extremos será aproximadamente VF. Esta situación permanecerá hasta que la corriente

en el DIAC disminuya de tal forma que vuelva a su estado de bloqueo; es decir, hasta

que el condensador se descargue. Puesto que la descarga del condensador se produce a

través del DIAC en estado de conducción, la descarga es prácticamente instantánea.

Obsérvese que en el estado estacionario el condensador inicia el proceso de carga

partiendo de una tensión aproximadamente igual a VF. Durante la carga, suponiendo en

el instante inicial que el condensador se encuentra a potencial VF, la tensión del

condensador viene dada por:

(1)

El periodo de la oscilación corresponderá al tiempo necesario para que VC (t)

alcance el valor de la tensión de disparo VB0.

4.2. CONTROL DE POTENCIA EN UNA CARGA CON TRIAC

Considere el circuito de la figura 7. La señal Vin es una señal de alterna (por

ejemplo, la propia tensión de la red o la salida de un

transformador): Vin(t) = VAsent. Consideremos que en

principio el DIAC y el TRIAC se encuentran en su estado

de bloqueo. Si suponemos que RL << R, se cumplirá que

V1 Vin. El condensador se cargará a través de R

sometido a una tensión tipo senoidal. El proceso de carga

del condensador durará hasta que la tensión VC(t) iguale

la tensión de disparo VB0 del DIAC. En ese momento, el

condensador se descargará a través del DIAC generando

un pulso de corriente que disparará al TRIAC. El TRIAC

pasará a su estado de conducción, con lo que

prácticamente toda la tensión de entrada Vin caerá en la

carga RL. En el momento en que la tensión Vin se haga lo

bastante pequeña como para que la corriente que atraviesa al TRIAC y a RL sea inferior

Vin

C

R

VC

V1

RL

Figura 7. Circuito para control de potencia en una carga con TRIAC.

a la corriente de mantenimiento del TRIAC, este vuelve a su estado de bloqueo y

comienza de nuevo el proceso de carga del condensador.

Obsérvese que el funcionamiento del circuito descrito es válido tanto para el

semiciclo positivo de Vin como para el semiciclo negativo, ya que el DIAC y el TRIAC

presentan características simétricas ante diferencias de tensión entre sus terminales

positivas y negativas.

El valor de la resistencia R determina en qué instante se produce el disparo del

DIAC (y por tanto del TRIAC) con lo que ajustando el valor de esta resistencia se

controla la potencia suministrada a la carga. (La carga RL prácticamente recibe potencia

únicamente cuando el TRIAC está en su estado de conducción).

Si suponemos que el condensador se carga desde un potencial VC = 0, y que

Vin(t) = VAsent, la tensión VC (t) durante el proceso de carga viene dada por:

(2)

En la figura 8 se representa el valor VC (t) / VA, obtenido a partir de la ecuación 2,

para distintos valores de R, con una frecuencia de 50 Hz y con C = 1 F.

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.0100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

VB0 / VA

R = 15 k

R = 5 k

R = 2 k

R = 400

Vin / VA

VC(t

) / V

A

t (s)

Figura 8. Tensión VC (t) durante la carga del condensador en el circuito de la figura 7 para distintos valores de R (ecuación (2); f = 50 Hz; C = 1 F.

5. REALIZACIÓN PRÁCTICA

5.1. OSCILADOR DE RELAJACIÓN CON DIAC

Realice el montaje de la figura 6. Fije VS = 50 V (necesitará configurar las

fuentes de tensión en serie); C = 1 F (utilice un condensador sin polaridad, ya que se

utilizará también en la segunda parte de la práctica); y como R utilice un potenciómetro

de 20 k de 1/2 W en serie con una resistencia de 270 de 1W. El DIAC utilizado será

el DB3, cuyas características principales se muestran en el apéndice A.

Visualice en el osciloscopio la tensión en el condensador. Compruebe los niveles

de tensión máximo y mínimo del condensador. Estime el valor VF del DIAC. Mida el

periodo de la señal oscilante para distintos valores de R y compare el resultado con el

valor teórico. (Este valor puede deducirse a partir de la ecuación 1).

5.2. CONTROL DE POTENCIA EN UNA CARGA CON TRIAC

Realice el montaje de la figura 7. Utilice el DIAC DB3 (apéndice A) y el TRIAC

BT136 (apéndice B). La señal Vin será la salida de un transformador. Los

transformadores que se van a utilizar suministran una tensión de 72 V eficaces. Como

carga (RL) se utilizará una bombilla. La resistencia R será un potenciómetro de 20 k

(1/2 W) en serie con una resistencia de 270 (1 W). C = 1 F (utilice un condensador

sin polaridad).

El objetivo de este apartado es estudiar el comportamiento del circuito al

cambiar el valor de R. Visualice en el osciloscopio las señales Vin y VC. Para una

frecuencia de 50 Hz (la de la red), la mitad del periodo es de 10 ms. Comience fijando el

valor máximo de resistencia del potenciómetro y disminúyalo para que la carga del

condensador dure aproximadamente 8 ms. En esta situación, la bombilla recibe la

potencia del transformador durante tan sólo los 2 ms finales de cada semiciclo.

Observará que la bombilla prácticamente no luce. Mida el valor total de R y compárelo

con el esperado a partir de la ecuación 2. Visualice también la señal V1, junto con Vin

para estudiar el error cometido debido a la caída de potencial en RL durante la carga del

condensador.

Repita el estudio anterior para valores de R tales que la carga del condensador

dure aproximadamente 2 ms y 5 ms.

Compruebe que la variar el valor de R puede regular la potencia suministrada a

la bombilla y, por lo tanto, la intensidad con que luce.

6. BIBLIOGRAFÍA

1. "Electrónica de Potencia: Dispositivos". Luis Esquiroz Bacaicoa et al. Servicio de

Publicaciones Universidad de Oviedo. [Biblioteca de Físicas 621.38(076.1) PRO]

7. ADVERTENCIAS

En esta práctica se van a manejar potencias relativamente altas en comparación

con prácticas anteriores. Antes de conectar cualquier montaje, avise a un profesor para

revisarlo.

En el apartado 5.2, tenga cuidado cuando trabaje con valores bajos de la

resistencia del potenciómetro. No conviene que el potenciómetro esté mucho tiempo

operando en estas condiciones ya que se calentará considerablemente.

APÉNDICE A. CARACTERÍSTICAS DEL DIAC DB3

APÉNDICE B. IDENTIFICACIÓN DE PINES DEL TRIAC BT136

Figura A1. Curva característica del DIAC DB3.