Tiristor

Archiu:KU208B.JPG

Tiristor

Es denomina tiristor (combinació de la paraula en Idioma grec θύρα, transliterado com thýra, que significa "porta" o "vàlvula" i transistor) a una família de components electrònics constituïda per elements semiconductorés que utilisa realimentación interna per a produir una conmutación. És un dispositiu anàlec al tiratrón, un tipo de vàlvula electrònica també utilisat per a controlar la corrent. Els materials dels que es compon són de tipo semiconductor, és dir, depenent de la temperatura a la que es troben poden funcionar com a aïllants o com a conductors. Són dispositius unidireccionals (SCR) o bidireccionals (Triac o DIAC). S'ampra generalment per al control de potència elèctrica.

Per als SCR el dispositiu consta d'un ànodo i un càtodo, a on les unions són de tipo P-N-P-N entre els mateixos. Per tant es pot modelar com 2 transistors típics P-N-P i N-P-N, per això es diu també que el tiristor funciona en tensió realimentada. Es creen aixina 3 unions (denominades J1, J2, J3 respectivament), el terminal de porta està en l'unió J2 (unió NP).

Algunes fonts definixen com a sinònims al tiristor i al rectificador controlat de silici (SCR); Encara que en realitat la forma correcta és classificar al SCR com un tipo de tiristor, a la parell que els dispositius DIAC i TRIAC.

Este element va ser desenrollat per ingeniers de General Electric en els anys 1960. Encara que un orige més remot d'este dispositiu ho trobem en el SCR creat per William Shockley (premi Nobel de física en 1956) en 1950, el qual va ser defés i desenrollat en els laboratoris Bell en 1956. Gordon Hall va liderar el desenroll en Morgan Stanley per a la seua posterior comercialisació per part de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric.

Història

El rectificador controlat per silici (SCR) o tiristor propost per William Shockley en 1950 i defés per Moll i uns atres en Bell Labs va ser desenrollat en 1956 per ingeniers d'energia en General Electric (G.I.), dirigit per Gordon Hall i comercialisat per Frank W. "Bill" Gutzwiller de GE. l'Institut d'Ingeniers Elèctrics i Electrònics va reconéixer l'invenció colocant una placa en el lloc de l'invenció en Clyde, NY i declarant-la Fita Històrica IEEE.

Archiu:Nelson Bipole Thyristors.jpg

Un banc de sis tiristors de 2000 A (discs blancs disposts en una fila en la part superior i vists de vora)

Etimologia

Un tubo ple de gas anterior cridat dispositiu tiratrón proporcionava una capacitat de conmutación electrònica similar, a on un menut voltage de control podia canviar una gran corrent. És a partir d'una combinació de "THYRatron" i "transistor" que es deriva el terme "tiristor".

Formes d'activar un tiristor

Llum: si un fes de llum incidix en les unions d'un tiristor, fins a aplegar al mateix silici, el número de parells electró-buit aumentarà podent-se activar el tiristor.

Corrent de Porta: per a un tiristor polarisat en directa, l'injecció d'una corrent de porta en aplicar un voltage positiu entre porta i càtodo ho activarà. Si aumenta esta corrent de porta, disminuirà el voltage de bloqueig directe, revertint en l'activació del dispositiu.

Tèrmica: una temperatura molt alta en el tiristor produïx l'aument del número de parells electró-buit, per lo que aumentaran les corrents de fuga, en la qual cosa en aumentar la diferència entre ànodo i càtodo, i gràcies a l'acció regenerativa, esta corrent pot aplegar a ser 1, i el tiristor pot activar-se. Este tipo d'activació podria comprendre una fuga tèrmica, normalment quan en un disseny s'establix este método com a método d'activació, esta fuga tendix a evitar-se.

Alt Voltage: si el voltage directe des de l'ànodo cap al càtodo és major que el voltage de ruptura directe, es crearà una corrent de fuga lo suficientment gran per a que s'inicie l'activació en retroalimentación. Normalment este tipo d'activació pot danyar el dispositiu, fins al punt de destruir-ho.

Elevació del voltage ànodo-càtodo: si la velocitat en l'elevació d'este voltage és lo suficientment alta, llavors la corrent de les unions pot ser suficient per a activar el tiristor. Este método també pot danyar el dispositiu.

Funcionament bàsic

El tiristor és un commutador biestable, és dir, és l'equivalent electrònic dels interruptorés mecànics; per tant, és capaç de deixar passar plenament o bloquejar per complet el pas de la corrent sense tindre nivell intermig algun, encara que no són capaços de soportar grans sobrecàrregues de corrent. Este principi bàsic pot observar-se també en el diodo Shockley.

El disseny del tiristor permet que este passe ràpidament a encés en rebre un pols momentàneu de corrent en la seua terminal de control, denominada porta (o en anglés, gate) quan hi ha una tensió positiva entre ànodo i càtodo, és dir la tensió en l'ànodo és major que en el càtodo. Solament pot ser apagat en l'interrupció de la font de tensió, obrint el circuit, o be, fent passar una corrent en sentit invers pel dispositiu. Si es polarisa inversamente en el tiristor existirà una dèbil corrent inversa de fugues fins que s'alcance el punt de tensió inversa màxima, provocant-se la destrucció de l'element (per remugada en l'unió).

Per a que el dispositiu passe de l'estat de bloqueig a l'estat actiu, deu generar-se una corrent d'enganche positiva en l'ànodo, i ademés deu haver una menuda corrent en la porta capaç de provocar una ruptura per remugada en l'unió J2 per a fer que el dispositiu conduïxca. Per a que el dispositiu seguixca en l'estat actiu es deu induir des de l'ànodo una corrent de sosteniment, molt menor que la d'enganche, sense la qual el dispositiu deixaria de conduir.

A mida que aumenta la corrent de porta es desplaça el punt de dispar. Es pot controlar aixina la tensió necessària entre ànodo i càtodo per a la transició OFF -> ON, usant la corrent de porta adequada (la tensió entre ànodo i càtodo depenen directament de la tensió de porta pero solament per a OFF -> ON). Quant major siga la corrent suministrada al circuit de porta IG (intensitat de porta), tant menor serà la tensió ànodo-càtodo necessària per a que el tiristor conduïxca.

També es pot fer que el tiristor escomence a conduir si no existix intensitat de porta i la tensió ànodo-càtodo és major que la tensió de bloqueig.

Aplicacions

Normalment són usats en dissenys a on hi ha corrents o tensions molt grans, també són comunament usats per a controlar corrent alterna a on el canvi de polaridad de la corrent revertix en la conexió o desconexió del dispositiu. Es pot dir que el dispositiu opera de forma síncrona quan, una volta que el dispositiu està obert, comença a conduir corrent en fase en la tensió aplicada sobre l'unió càtodo-ànodo sense la necessitat de replicació de la modulació de la porta. En este moment el dispositiu tendix de forma completa a l'estat d'encés. No es deu confondre en l'operació simètrica, ya que l'eixida és unidireccional i va solament del càtodo a l'ànodo, per tant en sí mateixa és asimètrica.

Els tiristors poden ser usats també com a elements de control en controladors accionados per ànguls de fase, açò és una modulació per ample de polsos per a llimitar la tensió en corrent alterna.

En circuits digitals també es poden trobar tiristors com a font d'energia o potencial, de manera que poden ser usats com a interruptors automàtics #magneto-tèrmics, és dir, poden interrompre un circuit elèctric, obrint-ho, quan l'intensitat que circula per ell s'excedix d'un determinat valor. D'esta forma s'interromp la corrent d'entrada per a evitar que els components en la direcció del fluix de corrent queden danyats. El tiristor també es pot usar en conjunt en un diodo Zener enganchat a la seua porta, de manera que quan la tensió d'energia de la font supera la tensió del zener, el tiristor conduïx, acurtant la tensió d'entrada provinent de la font a terra, fonent un fusible.

La primera aplicació a gran escala dels tiristors va ser per a controlar la tensió d'entrada provinent d'una font de tensió, com un enchufe, per eixemple. A començ dels ’70 es varen usar els tiristors per a estabilisar el fluix de tensió d'entrada dels receptors de televisió en color.

Se solen usar per a controlar la rectificació en corrent alterna, és dir, per a transformar esta corrent alterna en corrent contínua (sent en este punt els tiristors onduladores o inversors), per a la realisació de conmutaciones de baixa potència en circuits electrònics.

Atres aplicacions comercials són en electrodomèstics (allumenament, calfadors, control de temperatura, activació d'alarmes, velocitat de ventiladors), ferramentes elèctriques (per a accions controlades tals com a velocitat de motors, carregadors de bateries), equips per a exteriors (aspersores d'aigua, encés de motors de gas, pantalles electròniques...)

En fotografia el primer us del tiristor, es va donar en els flash electrònics, en els anys 80. Abans d'açò, quan es disparava un flash, est botava tota la càrrega acumulada, necessitant 10 o més segons per a recarregar completament. Quan s'usaven combinats en el modo automàtic d'exposició, el dispositiu solament ocupa la proporció de càrrega que necessita per a eixa exposició, lo que va permetre accelerar increiblement els temps de recarrega. En l'actualitat estos flash permeten disparar 3 o 4 voltes per segon, ademés de fer-ho en una gran precisió en la cantitat de llum emesa.

Fabricació

Tècnica de Difusió-Aleació: la part principal del tiristor està composta per un disc de silici de material tipo N, 2 unions s'obtenen en una operació de difusió en gali, el qual dopa en impurees tipo P les 2 cares del disc. En la cara exterior es forma una unió, en un contacte or-antimoni. Els contactes de l'ànodo i càtodo es realisen en molibdeno. La conexió de porta es fixa a la capa intermija (tipo P) usant alumini. Esta tècnica s'usa solament per a dispositius que requerixen gran potència.

Tècnica "Tot Difusió": es tracta de la tècnica més usada, sobretot en dispositius de mijana o baixa intensitat, el problema principal d'esta tècnica residix en els contactes, la construcció dels quals resulta més delicada i problemàtica que en el cas de difusió-aleació. Les 2 capes P s'obtenen per difusió del gali o l'alumini, mentres que les capes N s'obtenen per mig del sistema de caraces d'òxit. El problema principal d'este método radica en la multitut de fases que cal realisar. Encara que certes tècniques permeten paralelizar este procés.

Tècnica de Barrera Aïllant: esta tècnica és una variant de l'anterior. Es partix d'un substrat de silici tipo N que es oxida per les dos cares, despuix en cada una de les 2 cares es fa la difusió en material tipo P. Una difusió molt duradora i a altes temperatures produïx l'unió de les 2 zones P. Despuix d'este procés s'elimina tot l'òxit d'una de les cares i s'obri una finestra en l'atra, es realisa llavors en orden a aïllar més zones de tipo N, una difusió tipo P. Despuix d'una última difusió N el tiristor ya està terminat a falta d'establir les metalizaciones, tallar els daus i encapsularlos.

Modos d'error

Els fabricants de tiristors generalment especifiquen una regió de potència segura que definix els nivells acceptables de voltage i corrent per a una determinada temperatura de funcionament. El llímit d'esta regió està determinat en part pel requisit de que no s'excedixca la potència de porta màxima permesa (P_G), especificada per a una duració de pols de potència determinada.

Ademés dels modos d'error habituals per l'excés de voltage, corrent o potència nominal, els tiristors tenen els seus propis modos d'error particulars, que inclouen:

• Activació vaig donar/dt: en el que la taxa d'aument de la corrent d'estat despuix de l'activació és major que la que pot soportar la velocitat de propagació de l'àrea de conducció activa (SCR i triac).
• Conmutación forçada: en la que la corrent de recuperació inversa màxima transitòria provoca una caiguda de voltage tan alta en la regió del subcátodo que excedix el voltage de ruptura inversa de l'unió del diodo del càtodo de la porta (solament SCR).
• Encesa dv/dt: el tiristor pot mamprendre's de manera espuria sense mamprendre des de la porta si la taxa d'aument de voltage d'ànodo a càtodo és massa gran.

Tiristors de carbur de silici

En els últims anys, alguns fabricants han desenrollat tiristors utilisant carbur de silici (SiC) com a material semiconductor. Estos tenen aplicacions en ambients d'alta temperatura, sent capaces d'operar a temperatures fins a 350 °C.

Tipos de tiristors

• Rectificador controlat de silici (SCR)
• Tiristor GTO
• Diac
• Triac
• Foto-SCR
• Interruptor controlat per porta
• Interruptor controlat de silici
• MCT
• FET-CTH
• SITH
• RTC
• Fototiristor (lascr)

Tiristor de conducció inversa

Un tiristor de conducció inversa (RCT, en anglés reverse conducting thyristor) té un diodo invers integrat, per lo que no és capaç de realisar bloqueig invers. Estos dispositius són ventajosos quan es deu utilisar un diodo invers o de roda lliure. Degut a que el SCR i el diodo mai conduïxen al mateix temps, no produïxen calor simultàneament i poden integrar-se i gelar-se junts fàcilment. Els tiristors de conducció inversa s'utilisen a sovint en variadors i inversors de freqüència.

Fototiristores

Els fototiristores s'activen en la llum. La ventaja dels fototiristores és el seu insensibilidad a les senyals elèctriques, lo que pot provocar un funcionament defectuós en entorns eléctricamente sorollosos. Un tiristor activat per llum (LTT) té en la seua porta una regió ópticamente sensible, a la que s'acopla la radiació electromagnètica (generalment infrarroja) per mig d'una fibra òptica. Ya que no és necessari proporcionar plaques electròniques en el potencial del tiristor per a activar-ho, els tiristors activats per llum poden ser una ventaja en aplicacions d'alt voltage com HVDC. Els tiristors activats per llum estan disponibles en protecció contra sobretensión (VBO) incorporada, que activa el tiristor quan el voltage directe a través d'ell es torna massa alt; També es varen fabricar en protecció de recuperació alvançada incorporada, pero no comercialment. A pesar de la simplificació que poden aportar a l'electrònica d'una vàlvula HVDC, els tiristors activats per llum encara poden requerir alguns components electrònics de monitoreo simples i solament estan disponibles en uns pocs fabricants.

Dos fototiristores comuns inclouen el SCR activat per llum (LASCR) i el TRIAC activat per llum. Un LASCR actua com un interruptor que s'encén quan s'expon a la llum. Despuix de l'exposició a la llum, quan no hi ha llum, si no es talla l'energia i les polaridades del càtodo i l'ànodo encara no s'han invertit, el LASCR encara està en l'estat "encés". Un TRIAC activat per llum s'assembla a un LASCR, excepto que està dissenyat per a corrents alternes.

Fonts

• (2011) Application Manual Power Semiconductors 2011, 2nd edició, Nuremberg: Semikron. ISBN 978-3-938843-66-6.
• Thyristor Theory and Design Considerations; ON Semiconductor; 240 pages; 2006; HBD855/D. (descàrrega gratuïta en PDF)
• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual IGBT and MOSFET Power Modules, 1. Edition, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5. (descàrrega gratuïta en PDF)
• SCR Manual; 6th edition; General Electric Corporation; Prentice-Hall; 1979.

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Tiristor.
• The Early History of the Silicon Controlled Rectifier – by Frank William Gutzwiller (of G.I.) (és. "L'història primerenca del rectificador controlat per silici") (anglés)
• THYRISTORS – de All About Circuits (anglés)