El SCR

DISPOSITIVOS pnpn
(El Diodo de cuatro capas)

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO SCR

Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio es el  de mayor interés. Fue presentado por primera vez en 1956 por Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR incluyen controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de potencia reguladas, interruptores estáticos, controles de motor, recortadores, inversores, cicloconvertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefactores y control de fase.

     En años recientes, los SCR han sido diseñados para controlar potencias tan altas  como 10 MW con valores nominales individuales hasta de 2000 A a 1800 V. Su intervalo de frecuencia de aplicación también se ha ampliado hasta 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones como calefacción por inducción y limpieza ultrasónica.

OPERACIÓN BÁSICA DE UN

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO

     Como la terminología lo indica, el SCR es un rectificador construido de silicio con una tercera terminal para propósitos de control. Se eligió el silicio por sus altas capacidades de temperatura y potencia.

    La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor fundamental de dos capas en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuando el rectificador cambia del estado de circuito abierto al estado de cortocircuito. No basta con simplemente polarizar en directa la región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la resistencia dinámica del SCR en general es de 0.01 Ω a 0.1 Ω. La resistencia en inversa suele ser de 100 Ω o más.

      El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 1 (a) con las conexiones correspondientes a la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la figura 1-a, para que se establezca la conducción directa el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo. Éste, sin embargo, no es un criterio suficiente para encender el dispositivo. También se debe aplicar un pulso de magnitud suficiente a la compuerta para establecer una corriente de encendido en la compuerta, representada simbólicamente por IGT.

Un examen más detallado de la operación básica de un  SCR se realiza mejor dividiendo  la estructura pnpn de cuatro capas de la figura .1-b en dos estructuras de transistor de tres capas como se muestra en la figura 2-a y luego considerando el circuito resultante de la figura 2-b.

En el instante (t = t1) aparecerá un pulso de VG volts en la compuerta del SCR. Las condiciones establecidas en el circuito con esta entrada se muestran en la figura 17.4a. Se seleccionó el potencial VG suficientemente grande para encender a Q2 (Vbe2=VG).  La corriente del colector de Q2 se elevará entonces a un valor suficientemente grande para encender a Q1 (IB1=Ic2)  En cuanto Q1 se enciende, se incrementará, y el resultado será un incremento correspondiente en El incremento de corriente en la base para Q2 incrementará aún más la corriente El resultado neto es un incremento regenerador en la corriente del colector de cada transistor. La resistencia resultante del ánodo al cátodo (Rscr= 1/Ia) es por lo tanto pequeña porque IA es grande, y el resultado es la representación de cortocircuito para el SCR como se indica en la figura 17.4b. La acción regeneradora antes descrita da por resultado SCR con tiempos de encendido típicos de 0.1 ms a 1 ms. Sin embargo, los dispositivos de alta potencia en el intervalo de 100 A a 400 A pueden tener tiempos de encendido de 10 a 25 ms. Además del disparo por medio de la compuerta, los SCR también pueden ser encendidos elevando significativamente la temperatura del dispositivo o elevando el voltaje del ánodo al cátodo al valor de ruptura que se muestra en las características de la figura 17.7. La siguiente pregunta es: ¿Cuán largo es el tiempo de apagado y cómo se logra el apagado? Un SCR no se puede apagar simplemente con eliminar la señal en la compuerta y sólo algunos especiales se pueden apagar aplicando un pulso negativo a la compuerta como se muestra en la figura 17.3a, en el instante t = t3. Los dos métodos generales para apagar un SCR se categorizan como interrupción de la corriente en el ánodo y conmutación forzada.Las dos posibilidades de interrupción de corriente se muestran en la figura 17.5. En la figura 17.5a, IA es cero cuando el interruptor se abre (interrupción en serie), mientras que en la figura 17.5b se establece la misma condición cuando el interruptor se cierra (interrupción en derivación). La conmutación forzada consiste en “forzar” la corriente a que fluya a través del SCR en la dirección opuesta a la conducción en directa. Existe una amplia variedad de circuitos para realizar esta función, varios de los cuales se encuentran en los manuales de los principales fabricantes en esta área. Uno de los tipos más básicos se muestra en la figura 17.6. Como se indica en la figura, el circuito de apagado se compone de un transistor npn, un VB de la batería de cd y un generador de pulsos. Durante la conducción del SCR, el transistor está “apagado”, es decir, IB _ 0 y la impedancia de colector a emisor es muy alta (para todo efecto práctico un circuito abierto). Esta alta impedancia impedirá que los circuitos de apagado afecten la operación del SCR. En condiciones de apagado, se aplica un pulso positivo a la base del transistor y éste se enciende en exceso con una impedancia muy baja de colector a emisor (representación de cortocircuito). El potencial de la batería aparecerá entonces directamente a través del SCR como se muestra en la figura 17.6b, y fuerza a la corriente a que fluya a través de él en la dirección inversa para el apagado. Los tiempos de apagado de los SCR suelen ser de 5 υs a 30 υs.

CARACTERÍSTICAS Y VALORES NOMINALES DEL SCR

    Las características de un SCR se dan en la figura 17.7 para varios valores de la corriente en la compuerta. Las corrientes y voltajes de interés usual se indican en la característica. A continuación se describe brevemente cada uno: 

1.Voltaje de conducción en directa V(BR)F*es el voltaje sobre el cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco denota la letra que se debe agregar, la cual depende de la condición de la terminal de compuerta como sigue:

O = circuito abierto de G a K

S = cortocircuito de G a K

R = resistor de G a K

V = polarización fija 1voltaje2 de G a K.

2. Corriente de mantenimiento IH es el valor de la corriente por debajo de la cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo en directa en las condiciones establecidas.

3. Regiones de bloqueo en directa y en inversa son las regiones correspondientes a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.

4. Voltaje de ruptura en inversa es equivalente a la región Zener o de avalancha del diodo semiconductor fundamental de dos capas.

     De acuerdo a lo anterior se puede decir que las características de SCR de la figura son muy parecidas a las del diodo semiconductor de dos capas básico excepto por la rama horizontal antes de entrar a la región de conducción. Esta región horizontal sobresaliente es la que permite a la compuerta controlar la respuesta del SCR. Para la característica representada por la línea gris oscura en la figura 17.7 (IG=0), VF del voltaje de conducción máximo requerido V(BR)F* antes de que se presente el efecto “colapsante” y de que el SCR pueda entrar a la región de conducción correspondiente al estado de encendido. Si la corriente en la compuerta se incrementa a como se muestra en la misma figura al aplicar un voltaje de polarización a la terminal de compuerta, el valor de VF requerido para la conducción es considerablemente menor. Observe también que IH se reduce con el incremento de IG. Si aumenta el SCR se activará a valores de voltaje muy bajos y las características tenderán a las del diodo de unión p-n básico.

CONSTRUCCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LAS TERMINALES DEL SCR

     La construcción básica de cuatro capas de un SCR se muestra en la figura 17.9a. La construcción completa de un SCR de alta corriente, libre de fatiga térmica, se muestra en la figura 17.9b. Observe la posición de las terminales de la compuerta, el cátodo y el ánodo. El pedestal actúa como disipador de calor ya que transfiere el calor desarrollado al chasis en el cual está montado el SCR. La construcción de la cápsula e identificación de las terminales de los SCR varía con la aplicación. En la figura 17.10 se indican otras técnicas de construcción de la cápsula y la identificación de las terminales.