7.5: El rectificador controlado por silicio (SCR)

Diodos Shockley y rectificadores controlados por silicio (SCR)

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

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

El rectificador controlado por silicio (SCR)

Conducción SCR

Si la puerta de un SCR se deja flotante (desconectada), se comporta exactamente como un diodo Shockley. Se puede bloquear por voltaje de ruptura o por exceder 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 caigan 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 bloquear 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 provocará que el transistor superior conduzca, que luego suministra corriente a la base del transistor inferior para que ya no necesite ser activado por una tensión de puerta. La corriente de puerta necesaria para iniciar el enganche, por supuesto, será mucho menor que la corriente a través del SCR de cátodo a ánodo, por lo que la SCR sí logra una medida de amplificación.

Disparar/Disparo

Este método de asegurar la conducción SCR se llama disparo o disparo, y es, con mucho, la forma más común en que los SCR se enganchan en la práctica real. De hecho, los SCR generalmente se eligen de manera que su voltaje de ruptura esté mucho más allá del mayor voltaje esperado que se experimente desde la fuente de alimentación para que pueda encenderse solo por un pulso de voltaje intencional aplicado a la puerta.

Activación inversa

Cabe mencionar que los SCR a veces pueden apagarse cortocircuitando directamente sus terminales de puerta y cátodo juntos, o por “activación inversa” de la puerta con un voltaje negativo (en referencia al cátodo), de manera que el transistor inferior se ve forzado a cortar. Digo que esto es “a veces” posible porque implica derivar toda la corriente del colector del transistor superior más allá de la base del transistor inferior. Esta corriente puede ser sustancial, dificultando en el mejor de los casos el apagado desencadenado 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 puerta requerida para apagarlo puede ser hasta 20% de la corriente del ánodo (carga)! El símbolo esquemático de un GTO se muestra en la siguiente ilustración: (Figura abajo)

El tiristor de apagado de la puerta (GTO)

SCR vs GTO

Los SCRs y GTO comparten los mismos esquemas equivalentes (dos transistores conectados de una manera de retroalimentación positiva), siendo las únicas diferencias 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 del cátodo al ánodo, siendo el estado de enclavamiento del transistor PNP más dependiente de los 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 identificación terminal, con un ohmímetro. Debido a que la conexión interna entre la puerta y el cátodo es una única unión PN, un medidor debe indicar 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 a continuación)

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 cruda y no constituye una evaluación integral de la SCR. Es posible que un SCR dé buenas indicaciones de ohmímetro y siga siendo defectuoso. 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 “comprobación de diodos”, la indicación de voltaje de unión 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 incorporada dentro de algunos SCRs. Esta resistencia se agrega para hacer que el SCR sea menos susceptible a la falsa activación por picos de voltaje espurios, del “ruido” del circuito o de la descarga eléctrica estática. En otras palabras, tener una resistencia conectada a través de la unión puerta-cátodo requiere que se aplique una señal de disparo fuerte (corriente sustancial) para bloquear el SCR. Esta característica 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 a continuación)

Los SCR más grandes tienen 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 sensibles debido a su capacidad para ser activados por la más mínima señal de puerta positiva.

El circuito de prueba para un SCR es práctico como herramienta de diagnóstico para verificar SCR sospechosos y también una excelente ayuda para comprender el funcionamiento básico de SCR. Se utiliza una fuente de voltaje de CC para alimentar el circuito, y se utilizan dos interruptores de botón para bloquear y desacoplar el SCR, respectivamente: (Figura a continuación)

Circuito de prueba SCR

Accionando el interruptor de botón “on” normalmente abierto conecta la puerta al ánodo, permitiendo la corriente desde el terminal negativo de la batería, a través de la unión PN de cátodo-puerta, a través del interruptor, a través de la resistencia de carga, y de vuelta a la batería. Esta corriente de puerta debería forzar al SCR a enclavarse, permitiendo que la corriente pase directamente del cátodo al ánodo sin que se active más a través de la puerta. Cuando se suelta el botón “on”, la carga debe permanecer energizada.

Al presionar el interruptor de botón “apagado” normalmente cerrado, se rompe el circuito, forzando la corriente a través del SCR a detenerse, forzando así a apagarlo (caída de baja corriente).

Corriente de retención

Si el SCR no logra enganchar, el problema puede ser con la carga y no con el SCR. Se requiere una cierta cantidad mínima de corriente de carga para mantener el SCR enganchado en el estado “encendido”. Este nivel mínimo de corriente se denomina corriente de retención. Una carga con un valor de resistencia demasiado grande puede no consumir suficiente corriente para mantener un SCR enganchado cuando cesa la corriente de puerta, dando así la falsa impresión de un SCR malo (desbloqueable) en el circuito de prueba. Los fabricantes deben disponer de valores de corriente de mantenimiento para diferentes SCR. Los valores típicos de la corriente de retención varían de 1 miliamperio a 50 miliamperios o más para unidades más grandes.

Para que la prueba sea completamente completa, se necesita probar más que la acción desencadenante. El límite de voltaje de ruptura directa del SCR podría probarse aumentando el suministro de voltaje de CC (sin pulsadores accionados) 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 se dispone de 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 suministro pulsantes de diferentes velocidades V/tiempo sin pulsadores accionados y ver cuándo se bloquea.

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 abajo)

Circuito de control de arranque/parada del motor CC

El Circuito “Crowbar”

Otro uso práctico para el 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 ese suministro 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 por delante del SCR para limitar la corriente de cortocircuito: (Figura a continuación)

Circuito de palanca utilizado en la fuente de alimentación de CC

Algún dispositivo o circuito que detecta el voltaje de salida se conectará a la puerta del SCR, de manera que cuando se produzca una condición de sobretensión, se aplicará voltaje entre la puerta y el cátodo, activando el SCR y forzando el fusible a soplar. El efecto será aproximadamente el mismo que dejar caer una barra 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 alimentación de CA, a pesar de que los SCR son inherentemente dispositivos de CC (unidireccionales). Si se requiere corriente de circuito bidireccional, se pueden usar múltiples 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 en todas las aplicaciones de control de energía de CA es la respuesta única de un tiristor a una corriente alterna. Como vimos, el tubo de tiratrón (la versión de tubo de electrones del SCR) y el DIAC, un dispositivo histerético activado durante una porción de un medio ciclo de CA, se bloquearán y permanecerán encendidos durante todo el resto del medio ciclo hasta que la corriente CA disminuya a cero, ya que debe comenzar el siguiente medio ciclo. Justo antes del punto de cruce cero de la forma de onda de corriente, el tiristor se apagará debido a una corriente insuficiente (este comportamiento también se conoce como conmutación natural) y debe ser disparado nuevamente durante el siguiente ciclo. El resultado es una corriente de circuito equivalente a una onda sinusoidal “cortada”. Para 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 a continuación)

Respuesta bidireccional DIAC

Con el DIAC, ese límite de voltaje de ruptura fue una cantidad fija. Con el SCR, tenemos control sobre exactamente cuándo el dispositivo se bloquea activando 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 proporcionado en el tiempo a una carga.

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

Control SCR de alimentación de CA

Al ser un dispositivo unidireccional (unidireccional), a lo sumo, solo podemos entregar potencia de media onda a la carga, en el medio ciclo de CA donde la polaridad del voltaje de alimentación 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 (lo que requeriría dos SCR).

Sin activación en la puerta, y el voltaje de la fuente de CA 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 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 medio ciclo positivo: (Figura a continuación)

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

Retraso de disparo SCR

Podemos retrasar la activación del SCR, sin embargo, insertando cierta resistencia en el circuito de puerta, aumentando así la cantidad de caída de voltaje requerida antes de que suficiente corriente de puerta active el SCR. En otras palabras, si hacemos más difícil que los electrones fluyan 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 puerta para encender el SCR. El resultado se encuentra en la Figura a continuación.

Resistencia insertada en circuito de puerta; menor que la corriente de media onda a través de la carga.

Con la onda semisinusoidal cortada en mayor grado por un disparo retardado del SCR, la carga recibe menos potencia promedio (la potencia se entrega por menos tiempo a lo largo de un ciclo). Al hacer que la resistencia de puerta en serie sea variable, podemos hacer ajustes a la potencia proporcionada en el tiempo: (Figura a continuación)

Al aumentar la resistencia se eleva el nivel de umbral, lo que provoca que se entregue menos energía a la carga. La disminución de la resistencia disminuye el nivel de umbral, provocando que se entregue más energía 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 medio ciclo de la forma de onda. Es decir, no es posible que esperemos hasta después del pico de la ola para activar el SCR. Esto significa que podemos bajar la potencia solo hasta el punto en que el SCR se encienda en el pico mismo de la ola: (Figura abajo)

Circuito con ajuste de potencia mínima

Elevar más el umbral del disparador hará que el circuito no se active en absoluto, ya que ni siquiera el pico de la tensión de alimentación de CA será suficiente para activar el SCR. El resultado será no poder a la carga.

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

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 condensador. Por el bien de ilustrar el desplazamiento de fase, estoy asumiendo una condición de máxima resistencia de control donde el SCR no se está disparando en absoluto sin corriente de carga, salvo por la poca corriente que pasa por la resistencia de control y el condensador. Este voltaje del condensador se desplazará en fase en cualquier lugar de 0 ^{o a 90 o} rezagado detrás de la forma de onda de CA de la fuente de alimentación. Cuando este voltaje desfasado alcanza un nivel lo suficientemente alto, el SCR se activará.

Con suficiente voltaje a través del condensador para activar periódicamente el SCR, la forma de onda de corriente de carga resultante se verá como la figura a continuación)

La señal desplazada en fase activa el SCR en conducción.

Debido a que la forma de onda del condensador sigue aumentando después de que la forma de onda principal de alimentación de CA haya 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 allá de lo que era posible con el circuito más simple. En realidad, la forma de onda del voltaje del condensador es un poco más compleja de lo 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 desplazamiento de fase; así, una forma de onda simplificada y no distorsionada sirve bien al propósito.

Activación de SCR por Circuitos Complejos

Los SCR también pueden ser activados, o “disparados”, por circuitos más complejos. Si bien el circuito mostrado anteriormente es suficiente para una aplicación simple como un control de lámpara, los grandes controles de motores industriales a menudo dependen de métodos de disparo más sofisticados. A veces, los transformadores de impulsos se utilizan para acoplar un circuito de disparo a la puerta y al cátodo de un SCR para proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos de disparo y de alimentación: (Figura a continuación)

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

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

Puente rectificador controlado

En cualquier circuito rectificador puente, los diodos rectificadores (en este ejemplo, los SCR rectificadores) deben conducir en pares opuestos. SCR ₁ y SCR ₃ deben dispararse simultáneamente, y SCR ₂ y SCR ₄ deben dispararse juntos como un par. Como notará, sin embargo, estos pares de SCR no comparten las mismas conexiones catódicas, lo que significa que no funcionaría simplemente para poner en paralelo sus respectivas conexiones de puerta y conectar una sola fuente de voltaje para activar ambas: (Figura a continuación)

Esta estrategia no funcionará para activar SCR ₂ y SCR ₄ como pareja.

Aunque la fuente de voltaje de disparo mostrada activará SCR ₄, no activará SCR ₂ correctamente porque los dos tiristores no comparten una conexión catódica común para hacer referencia a ese voltaje de activación. Los transformadores de impulsos que conectan las dos puertas de tiristores a una fuente de voltaje de disparo común funcionarán, sin embargo: (Figura abajo)

El acoplamiento del transformador de las compuertas permite la activación de SCR ₂ y SCR ₄.

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 SCR ₁ y SCR ₃, así como los detalles de las propias fuentes de pulso, se han omitido en aras de la simplicidad.

Los rectificadores de puente controlados no se limitan a diseños monofásicos. En la mayoría de los sistemas de control industriales, la alimentación de CA está disponible en forma trifásica para lograr la máxima eficiencia, y se construyen circuitos de control de estado sólido para aprovechar eso. Un circuito rectificador controlado trifásico construido con SCR, sin transformadores de pulso o circuitería de disparo mostrados, se vería como la Figura a continuación.

Control de carga SCR de puente trifásico

REVISIÓN:

• Un rectificador controlado por silicio, o SCR, es esencialmente un diodo Shockley con un terminal adicional agregado. Este terminal extra se llama puerta, y se utiliza para activar el dispositivo en conducción (enclavarlo) mediante la aplicación de una pequeña tensión. 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 ser disparados por una activación 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 apagarse por la corriente del ánodo que cae por debajo del valor de la corriente de retención (caída de baja corriente) o por “disparo inverso” de la puerta (aplicando un voltaje negativo a la puerta). El disparo inverso solo a veces es efectivo y siempre implica una corriente de puerta alta.

• Una variante del SCR llamada tiristor Gate-Turn-Off (GTO), está específicamente diseñada para ser apagada por medio de activación inversa. Incluso entonces, la activación inversa requiere una corriente bastante alta: típicamente el 20% de la corriente del ánodo. Los terminales SCR pueden ser identificados por un medidor de continuidad: los dos únicos terminales que muestran 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. Tenga cuidado, sin embargo, 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 metro.

• Los SCR son verdaderos rectificadores: solo permiten la corriente a través de ellos 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 alimentación de CC a una carga puede ser proporcionada en el tiempo activando los SCR en diferentes puntos a lo largo de la forma de onda de alimentación de CA.