Rectificador controlado por silicio (SCR)

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Este artículo cubre la construcción, el funcionamiento, la conmutación, las características, los requisitos de las puertas, las pruebas y la aplicación de un rectificador controlado por silicio (SCR), junto con los diagramas de bloques y circuitos pertinentes.

El SCR es un tiristor de silicio de tres terminales de un solo lado. Es el tiristor más utilizado y más potente actualmente disponible. Los SCR están disponibles en valores nominales de corriente desde aproximadamente 1,0 A hasta valores superiores a 1000 A y valores nominales de tensión de hasta 5 kV.

El dispositivo funciona de la misma manera que un p-n diodo; es decir, permitirá que la corriente fluya en una dirección y bloqueará la corriente en la otra dirección. La principal diferencia es que el reenvío se puede controlar en el SCR. La dirección se controla pasando corriente a través de la terminal de la puerta.

Se muestra el símbolo SCR i Verdadero 1.

Figura 1 Símbolo estándar SCR

Los SCR se producen en una variedad de estilos de caja, basados ​​principalmente en las clasificaciones de SCR. Varios estilos de caja se muestran en Verdadero 2.

Estilos de gabinetes SCR

Figura 2 Estilos de gabinetes SCR

Los SCR más grandes se fabrican en la configuración «hock-pock». Estos están montados en disipadores de calor para eliminar el exceso de calor producido durante la operación de alta corriente.

Verdadero 3 muestra dos discos de hockey, dos SCR y dos diodos correspondientes montados en disipadores de calor enfriados por agua. En la foto se incluye una batería «doble A» para comparar el tamaño.

Diodos SCR y disco de hockey en disipadores de calor enfriados por agua

imagen 3 Diodos SCR y disco de hockey en disipadores de calor enfriados por agua

Construcción de SCR

El SCR es un dispositivo de silicio de cuatro capas, con las capas alternando pags- y no-materiales semiconductores. Esta estructura se llama p-n-p-n. Así, se forman tres uniones de semiconductores en el dispositivo. Verdadero 4 en el reverso hay una ilustración de la construcción del pañal en SCR.

Construcción de la capa SCR

Figura 4 Construcción de la capa SCR

Cuando el dispositivo en sí está inclinado hacia adelante, es decir. ánodo positivo con respecto al cátodo, dos de las uniones estarán polarizadas en directa y la tercera en inversa. Esta unión con polarización inversa permite que el SCR bloquee la corriente del ánodo hasta que fluya la corriente de la puerta. El tamaño real de la oblea de silicio variará en el momento de la fabricación para lograr las clasificaciones de voltaje y corriente requeridas. Cuanto mayor sea la capacidad de manejo de energía del SCR, mayor será la oblea.

Aunque un SCR es esencialmente un dispositivo de tres terminales, algunos SCR pueden parecer tener solo dos terminales. Esto se debe a que el ánodo o el cátodo están conectados a la carcasa.

Algunos SCR industriales más grandes pueden parecer tener cuatro terminales. Esto se debe a la presencia de un cable de «referencia de puerta». Este cable se conecta al cátodo y se retuerce junto con el cable de rejilla real. Esto reduce la posibilidad de que los voltajes inducidos en el cable de la compuerta provoquen una activación incorrecta.

operación SCR

El SCR bloqueará la corriente directa hasta que sea inducida al estado activado por un pulso de disparo. Este es el modo normal de operación de un SCR. Me gusta p-n diodo, el SCR debe tener polarización directa para permitir que fluya la corriente del ánodo (corriente continua). Esto significa que el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo.

Un SCR cambiará del estado desactivado al estado activado si el voltaje directo es excesivo. El voltaje al cual el SCR cambia del estado apagado al estado encendido (VBR). Este modo de operación normalmente no se usa porque no hay un control adecuado del SCR. Este voltaje de conmutación enciende el SCR cuando cruza la unión polarizada inversa en el dispositivo.

El modo habitual de operación es controlar la conductancia con la corriente de puerta. La corriente fluye de la rejilla al cátodo. Esto significa que la unión puerta-cátodo debe estar polarizada directamente; es decir, la rejilla es positiva con respecto al cátodo.

Considere el circuito i Verdadero 5. Si la puerta se enciende (S1) abierto, no fluirá corriente de puerta, por lo que el SCR no se disparará en el estado encendido (siempre que el voltaje del ánodo no exceda el voltaje nominal de encendido del dispositivo).

operación SCR

Figura 5 operación SCR

Lo que sea S1 cerrado, fluye una pequeña corriente de la puerta. Esto hará que el SCR pase al estado de encendido y fluirá la corriente del ánodo. Una vez que se ha encendido el SCR, y siempre que la corriente del ánodo sea lo suficientemente alta, se puede apagar la corriente de la red y el SCR seguirá conduciendo. Ahora funciona como un p-n diodo.

La caída de tensión directa es relativamente constante y tiene un valor nominal de 0,6 V. En la práctica, este valor estará más cerca de 1,0 V y puede llegar a 2,0 V para SCR de muy alta corriente.

En algunos casos, el SCR puede apagarse cuando se elimina la corriente de puerta. Esto significa que el SCR no se «bloqueó» correctamente.

Para enganchar un SCR, la corriente del ánodo debe alcanzar un valor conocido como «corriente de red». Cuando se excede este valor, el SCR se bloquea y continúa conduciendo, incluso cuando se elimina la corriente de puerta.

Para apagar el SCR, la corriente del ánodo debe reducirse a casi cero. Si la corriente del ánodo cae por debajo de un valor llamado «corriente de retención», se atenuará hasta el estado de apagado. Los procesos involucrados en la reducción de la corriente del ánodo a este valor se analizan en la Sección 10.2.3.

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Las corrientes de retención y enganche para un SCR dado son siempre valores muy pequeños en comparación con la corriente nominal del ánodo. La corriente de enclavamiento es ligeramente superior a la corriente de mantenimiento. Por ejemplo, C122E SCR tiene las siguientes clasificaciones actuales:

  • corriente de ánodo – 8,0 A
  • corriente de red – 25 mA
  • cuya corriente es – 20 mA.

La operación inversa de SCR es la misma que la operación de un p-n diodo. Bloqueará la transmisión hasta que ocurra una falla. Esto se debe a que el voltaje inverso supera la clasificación de voltaje inverso máximo (PRV) del dispositivo.

La operación directa de un SCR se puede demostrar con un SCR y un ohmímetro analógico (ver Verdadero 6):

Etapas de funcionamiento del SCR

Figura 6 Etapas de funcionamiento del SCR

1. Cambia el ohmímetro al rango Ω×1 y corta las líneas juntas hasta que la lectura sea cero. Al realizar esta prueba, recuerde que un multímetro analógico invertirá la polaridad de sus terminales cuando se cambie al rango de ohmios. Para evitar confusiones, conecte un cable rojo en el terminal marcado como negativo y un cable negro en el terminal marcado como positivo. Luego considere que el cable rojo es positivo y el cable negro es negativo.
2. Identifique la configuración de cables para el SCR utilizando las hojas de datos del fabricante.
3. Conecte el cable positivo al ánodo y el cable negativo al cátodo del SCR. Mira la lectura. Esta lectura debe ser alta (casi infinita) porque el SCR debe estar en modo de bloqueo directo.
4. Conecte el segundo cable positivo del multímetro a la terminal de puerta y observe el efecto. La lectura debe caer a un valor bajo (alrededor de 20 Ω).
5. Retire el cable de la terminal de la puerta y observe el efecto. La lectura debe permanecer baja ya que el SCR debe bloquearse.

Es importante comprender que esta prueba no es confiable en SCR de alta corriente porque es posible que el ohmímetro no pueda obtener suficiente corriente para bloquear el SCR. Se pueden hacer pruebas similares quitando utilizando alimentación de CC y la carga adecuada.

De esta revisión de la operación del SCR, se debe tener en cuenta que para llevar un SCR del estado desactivado al estado activado, y para permanecer en el estado activado, se deben cumplir las siguientes condiciones:

  • el SCR debe estar polarizado hacia adelante
  • un pulso de corriente debe fluir desde la rejilla hasta el cátodo
  • la corriente del ánodo debe elevarse por encima de la corriente de la red para permitir que el SCR se enganche en el estado de encendido
  • la corriente del ánodo debe permanecer mayor que la corriente de retención para permanecer en el estado activado.

cambio de SCR

El proceso de inhabilitación de SCR se denomina «conmutación». Para cambiar SCR, la corriente del ánodo debe reducirse a un valor inferior a la corriente de mantenimiento. El cambio se puede forzar de varias maneras, por ejemplo:

1. Reduzca o desconecte el voltaje de suministro; este método no es práctico en la mayoría de los casos.
2. Cortocircuite momentáneamente los terminales de ánodo y cátodo del SCR; este método sería peligroso en circuitos de alta corriente y/o alto voltaje. Esto no es práctico en la mayoría de los casos.
3. Invertir la polarización del SCR e inyectar un pulso de corriente de corta duración desde el cátodo al ánodo: este es el método más efectivo y ampliamente utilizado para proporcionar una conmutación SCR forzada. Esto se puede lograr proporcionando circuitos auxiliares para conectar un capacitor cargado o un pulso externo a través del SCR para provocar el cambio.

Cuando se conecta un SCR a un suministro de CA para proporcionar una rectificación controlada o control de una carga de CA, la corriente del ánodo caerá a cero cuando el voltaje de suministro de CA caiga a cero. Cuando la fuente de alimentación se invierte, el SCR tendrá polarización inversa. Esto significa que el SCR conmuta la tensión de alimentación de CA y se denomina «conmutación de línea de CA».

Características y clasificaciones de SCR

Las características típicas de avance y retroceso de SCR se muestran i Verdadero Siete.

Curva característica SCR directa e inversa

Imagen 7 Curva característica SCR directa e inversa

Como muchos otros componentes electrónicos, un SCR tiene muchas características eléctricas. Los aspectos más significativos en una situación práctica, especialmente cuando se trata de reemplazar componentes, son:

1. Voltaje inverso (PRV)— el valor pico máximo de la tensión que el SCR puede soportar continuamente cuando se polariza inversamente.
2. Tensión de ruptura directa (VBR)— valor máximo de voltaje directo que se puede aplicar al SCR, con polarización directa, sin encender el SCR.
3. Corriente media continua (IT(av))— la corriente de ánodo de arranque promedio máxima que puede transportar el SCR. Para llevar este valor actual sin dañar el SCR, puede ser necesario montar el SCR en un disipador de calor para disipar el calor desarrollado en las uniones del dispositivo.
4. corriente de mantenimiento (IH)—la corriente de ánodo mínima que soportará la conducción en el SCR. Si la corriente del ánodo cae por debajo de este valor, el SCR cambiará del estado de encendido al estado de apagado.
5. Bloqueo actual (IL)– la corriente del ánodo que hará que el SCR se bloquee en el estado encendido. Si la corriente del ánodo no excede este valor cuando se enciende la corriente de la compuerta, el SCR se atenuará hasta el estado de apagado cuando se elimine la corriente de la compuerta.
6. Dv/dt— la tasa máxima de aumento de la tensión del ánodo que el tiristor puede soportar cuando está apagado, sin volver al estado encendido. Este valor generalmente se mide en voltios por microsegundo.
7. Di/dt— la tasa máxima de aumento de la corriente del ánodo permitida en el SCR cuando se cambia del estado desactivado al estado activado. Si la corriente del ánodo aumenta demasiado rápido, la densidad de corriente en la oblea de silicio puede llegar a ser demasiado alta.
8. Voltaje máximo de puerta inversa (VRGM)— una cantidad similar a la clasificación PRV del SCR, pero relacionada con la unión rejilla-cátodo. Este valor es el voltaje inverso máximo que se puede aplicar a la unión puerta-cátodo. El valor suele ser mucho más bajo que la calificación PRV del SCR.
9. Tensión máxima de estado (VT)— la máxima caída de tensión directa que se puede esperar cuando el SCR está encendido.

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Para obtener toda la información necesaria relativa a un SCR en particular, puede ser necesario consultar las fichas técnicas del fabricante. Los técnicos y comerciantes que trabajan en situaciones en las que se utilizan dispositivos de tiristores pueden encontrar útil obtener un juego completo de hojas de datos del fabricante.

Requisitos de la puerta SCR

Para garantizar la activación precisa y confiable de los SCR, los pulsos de activación deben cumplir ciertos requisitos, como se indica a continuación:

  • La corriente y el voltaje de la compuerta deben ser lo suficientemente altos para activar el SCR.
  • La corriente y el voltaje de la puerta no deben ser lo suficientemente altos como para dañar la unión puerta-cátodo.
  • El pulso de puerta debe aplicarse durante un período para permitir que el SCR se encienda por completo.

A medida que aumenta la corriente de puerta en un SCR, disminuye el voltaje requerido para que el SCR se encienda. La sensibilidad de SCR también aumenta con el aumento de la temperatura. Verdadero 8 muestra la relación entre la corriente de la puerta y el voltaje de la chispa.

Efecto de puerta en el voltaje de arranque del SCR

Figura 8 Efecto de puerta en el voltaje de arranque del SCR

No solo son importantes las magnitudes de la corriente y el voltaje de la puerta, sino también la forma real y la duración del pulso.

Un pulso de corriente de puerta debe tener un tiempo de subida rápido para que la conducción se propague a través de la oblea de silicio lo más rápido posible. Esto permite que el SCR se active más rápidamente. Idealmente, el tiempo de subida debe ser menor que el de un pulso de corriente de puerta 1 etc.

El pulso de corriente de la puerta debe ser lo suficientemente largo para completar el proceso de activación. El proceso de activación se completa cuando el SCR está bloqueado. En un circuito resistivo simple, puede llevar solo unos pocos microsegundos, y en un circuito inductivo, el proceso puede llevar más tiempo.

Para asegurarse de que el SCR esté completamente encendido antes de que se elimine la corriente de la puerta, la duración de la puerta debe estar entre 50 μs y 200 μs.

La amplitud y duración del pulso de puerta dependerá del tipo de SCR y la naturaleza de la carga. Verdadero 9 muestra un pulso de puerta típico para un SCR.

Pulso de corriente de puerta SCR típico

Imagen 9 Pulso de corriente de puerta SCR típico

En algunos casos, cuando la carga es altamente inductiva, es necesario tener un «tren de pulsos» en lugar de un solo pulso. Esto asegura que el SCR se encienda y se bloquee antes de que se elimine la corriente de la puerta. Un «tren de pulsos» es una serie de pulsos individuales que duran unos 20 μs con un retraso de unos 100 μs entre cada pulso.

Las características de conmutación de los SCR los hacen adecuados para muchas aplicaciones. SCR se puede activar y desactivar muy rápidamente. Los SCR se clasifican según sus tiempos de encendido y apagado. Se clasificarán como:

  • SCR controlado por fase: tiempo de activación típico de 20 μs, tiempo de inactividad típico de 40 μs
  • Inversores SCR: tiempo de encendido típico de 10 μs, tiempo de apagado típico de 20 μs.

Es importante tener en cuenta que las características de la carga pueden afectar el tiempo que lleva encender o apagar un SCR. Los tiempos de conmutación son más largos cuando la carga es altamente inductiva que cuando la carga es resistiva.

Refrigeración y protección

Aunque los SCR ofrecen un método rentable de control de energía, algunos SCR de alta corriente son muy costosos y pueden costar cientos de dólares cada uno. Por lo que vale la pena invertir una cantidad razonable de dinero en componentes o dispositivos para proteger el SCR.

Los SCR requieren protección:

  • corriente excesiva (protección contra cortocircuitos)
  • las corrientes aumentan rápidamente
  • voltajes directos que aumentan rápidamente
  • Temperatura de unión excesiva.

1. Protección contra cortocircuitos—se instalan fusibles especiales en serie con el SCR. Estos fusibles pueden limitar la posibilidad de falla e interrupción del suministro. Son una variación del fusible HRC normal. A veces se denominan fusibles de estado sólido o fusibles de trampa de corriente.
2. Corriente de rápido aumento (di/dt)– si la corriente del ánodo aumenta demasiado rápido, la densidad de corriente en la oblea de silicio puede llegar a ser demasiado alta y dañar el SCR, incluso cuando el valor actual actual no es mayor que la corriente nominal del SCR. Para minimizar la posibilidad de que esto suceda, se conecta un inductor en serie con el SCR para limitar la tasa de aumento de la corriente del ánodo cuando se activa el SCR.
3. Aumente rápidamente los voltajes directos (dv/dt).– cuando el SCR opera en el modo de bloqueo directo y el voltaje del ánodo aumenta demasiado rápido, el SCR puede encenderse y provocar un mal funcionamiento del circuito. Esto suele suceder cuando el SCR está apagado. Para evitar esto, se conectan en serie una resistencia y un capacitor. Esta combinación en serie está conectada en paralelo con el SCR. La red RC se denomina «red amortiguadora» y limita la tasa de aumento de voltaje directo en el SCR.
4. Temperatura de unión excesiva— incluso si la potencia disipada en un SCR es relativamente baja, la temperatura de la unión puede volverse excesiva debido a la masa relativamente baja del dispositivo. Para evitar el sobrecalentamiento, los SCR generalmente se montan en un disipador de calor. Puede ser una pieza plana de aluminio o un disipador de aluminio extruido con aletas para mejorar la disipación del calor. Para mejorar la conducción de calor entre el dispositivo y el disipador de calor, el compuesto del disipador de calor a menudo se esparce entre el dispositivo y el disipador de calor. La disipación de calor se mejora aún más si el disipador de calor es de aluminio anodizado negro. En casos extremos, los disipadores de calor pueden ser enfriados por ventilador y/o líquido.

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El siguiente circuito (Verdadero diez) que muestra la conexión de los dispositivos de protección al SCR.

Diagrama del circuito de protección SCR

Imagen 10 Diagrama del circuito de protección SCR

En algunos equipos que utilizan dispositivos de tiristores, se pueden utilizar otros métodos de protección más complejos. Puede incluir técnicas que evitan que el SCR se active cuando se detecta una falla en la carga.

prueba SCR

Se pueden realizar varias pruebas en circuito en un SCR. Estas son pruebas simples que dan una indicación del estado de SCR. Por ejemplo:

1.Mida la caída de voltaje directo: debe estar alrededor de los 0,6 V nominales si el SCR está encendido, o alrededor del voltaje de suministro si el SCR está apagado. Si el SCR parece estar encendido y la caída de voltaje directo es de 0 V, es probable que el SCR esté en cortocircuito. Esta falla generalmente es causada por un voltaje inverso excesivo.
2.Utilice un osciloscopio (o un voltímetro de alta impedancia) para detectar la presencia de pulsos de disparo. Si no parece haber un pulso de disparo presente, puede deberse a un circuito de disparo defectuoso o a una unión de puerta-cátodo en cortocircuito.
3.Si se sospecha que el circuito de activación está defectuoso, desconecte la compuerta y con mucho cuidado conecte una resistencia entre el ánodo y la compuerta (un valor adecuado podría ser alrededor de 1 kΩ). Si el SCR no está defectuoso, esta acción generalmente lo otorgará. Si esto no lo enciende, el SCR debe retirarse del circuito para realizar más pruebas.

La prueba fuera del circuito se puede realizar utilizando un multímetro analógico adecuado conmutado al rango Ω × 1. Recuerde que más multímetros analógicos invertir su polaridad cuando se cambia a un rango de ohmios.

Mida la resistencia entre cada uno de los terminales con cualquier polaridad, luego compare los resultados con una serie estándar. Las resistencias esperadas se especifican a continuación i tabla 1.

tabla 1 Resultados de la prueba de SCR: SCR en servicio

Prueba de polaridad

Positivo (+)Negativo (-)Resistencia esperada
Ánodo (A)cátodos (K)alto (infinito)
cátodos (K)Ánodo (A)alto (infinito)
Ánodo (A)Puerta (G)alto (infinito)
Puerta (G)Ánodo (A)alto (infinito)
Puerta (G)cátodos (K)Bajo (20Ω)
cátodos (K)Puerta (G)Medio (200Ω)

Si un SCR parece satisfactorio según la resistencia medida, se puede probar más para ver si puede dispararse y trabarse. Para SCR pequeños, esto se puede hacer usando el ohmímetro. Esto se logra conectando el óhmetro de modo que el SCR tenga polarización directa; ánodo positivo, cátodo negativo. La lectura en el ohmímetro debe estar cerca del infinito.

Conecte el segundo cable al terminal positivo del ohmímetro (vea Verdadero 11(b)). Conecte el otro extremo de este cable a la terminal de puerta del SCR y la lectura del ohmímetro debería caer a un valor bajo. Si luego se desconecta este cable de compuerta y la lectura del ohmímetro permanece baja, esto indica que el SCR está bloqueado.

Si la lectura del óhmetro se acerca al infinito, el SCR no está bloqueado. La prueba se muestra en Verdadero 11(c).

prueba SCR

Imagen 11 prueba SCR

Esta prueba es un poco más complicada en un SCR de alta corriente. Puede ser necesario utilizar alimentación de CC y una carga adecuada para garantizar que haya suficiente corriente para bloquear el SCR.

En la mayoría de los casos, las fallas que ocurren con los SCR son muy obvias. Estos suelen ser:

  • cortocircuito entre el ánodo y el cátodo – causado por un voltaje inverso excesivo
  • circuito abierto entre el ánodo y el cátodo – causado por una corriente de ánodo excesiva
  • cortocircuito entre puerta y cátodo – debido a un voltaje de puerta inverso excesivo
  • circuito abierto entre la puerta y el cátodo – debido a una corriente de puerta excesiva.

También debe recordarse que una corriente directa excesiva entre el ánodo y el cátodo puede aumentar las temperaturas internas y destruir la oblea al derretirse. El resultado es que el SCR se acorta. Una situación similar puede ocurrir cuando las corrientes excesivas de puerta dañan permanentemente la unión puerta-cátodo.

aplicaciones SCR

El SCR es uno de los dispositivos de control de potencia más utilizados. Se utiliza en numerosas aplicaciones en equipos diseñados para uso doméstico, comercial e industrial, entre ellos:

  • rectificadores de control
  • Controladores de CA
  • gobernadores de velocidad del motor
  • hornos de alta eficiencia
  • maquina de soldar
  • Convertidores CC/CC
  • equipo de calefacción
  • cargadores de bateria
  • Inversores (convertidores CC/CA)
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