Laboratorio de electrónica industrial

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

SCR

Autor.

Miguel Rafael Machado Bastardo

Charallave, junio de 2023

Introducción

Objetivo de la Practica

Marco Teórico

SRC

Un SCR es un tipo de tiristor, un componente electrónico que puede cambiar su estado de conducción o bloqueo de acuerdo con una señal de control. Un SCR consta de tres capas alternas de dos materiales semiconductores de tipo P (positivo) y uno de tipo N (negativo). Estas capas están conectadas en serie para formar una estructura de diodo como se muestra en la figura 1.

Figura 1

Estructura del SCR[pic 3]

Nota. Adaptado de SCR (Rectificador Controlado por Silicio), de Erick, R, 2021, Transistores. (https://transistores.info/scr-rectificador-controlado-por-silicio/).

La función básica de SCR se basa en el principio de retroalimentación positiva. Cuando se aplica un voltaje a la terminal de control, también llamada puerta, el SCR cambia a un estado conductor, lo que permite que fluyan grandes cantidades de corriente. Cuando se activa un tiristor, permanece conduciendo hasta que la corriente que lo atraviesa cae por debajo de cierto valor llamado corriente de mantenimiento (, incluso si la señal de control se elimina de la puerta.[pic 4]

Esta característica de auto-mantenimiento del SCR lo hace útil en aplicaciones donde se requiere la conmutación de altas corrientes y voltajes, como en el control de motores eléctricos, la regulación de intensidad luminosa en lámparas, el control de potencia en sistemas de calentamiento y muchas otras aplicaciones de electrónica de potencia.

Las Características Estáticas de un SCR

Son las propiedades y comportamientos que se mantienen constantes cuando el dispositivo está en un estado estable y no hay cambios en los parámetros externos. Estas características (ver figura 2) son importantes para comprender el funcionamiento y las limitaciones del SCR. se pueden distinguir tres regiones de funcionamiento en el régimen estático. Estas regiones se conocen como:

1. Región de Bloqueo (OFF): en esta región, la tensión aplicada al SCR es menor que la tensión de bloqueo directo (), lo que significa que el dispositivo se encuentra en estado de bloqueo. En esta región, el SCR no conduce corriente significativa y actúa como un circuito abierto. La corriente de fuga inversa () es baja y se mantiene en un nivel aceptable.[pic 5][pic 6]
2. Región de Conducción (ON): cuando la tensión aplicada al SCR supera la tensión de bloqueo directo ()el dispositivo entra en estado de conducción. En esta región, el SCR permite que fluya una corriente significativa a través de él con una caída de voltaje directo () relativamente baja. El SCR se mantiene en este estado de conducción hasta que la corriente a través de él cae por debajo de la corriente de mantenimiento ().[pic 7][pic 8][pic 9]
3. Región de Bloqueo Inverso (Reverse Blocking): si se aplica una tensión inversa al SCR que supera la tensión de bloqueo inverso (), se encuentra en la región de bloqueo inverso. En esta región, el SCR actúa como un diodo de bloqueo inverso y no permite el flujo de corriente en ninguna dirección. Es importante evitar que la tensión inversa supere el valor de  para evitar la ruptura dieléctrica y posibles daños al dispositivo.[pic 10][pic 11]

Figura 2

Característica principal de los SCRs

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Existen características que son importantes para comprender el funcionamiento y las limitaciones del SCR las cuales se muestran en la figura 3. Aquí se presentan algunas de las características estáticas clave de un SCR:

1. Tensión de Bloqueo Directo : es la tensión máxima que se puede aplicar directamente en el SCR en sentido directo sin activarlo. Si se supera esta tensión, el SCR se encenderá y comenzará a conducir corriente.[pic 13]
2. Tensión de Bloqueo Inverso : es la tensión máxima que se puede aplicar en el sentido inverso al SCR sin dañarlo. Si se supera esta tensión, puede producirse una ruptura dieléctrica y dañar el dispositivo.[pic 14]
3. Corriente de Fuga Inversa : es la pequeña corriente que fluye a través del SCR cuando se aplica una tensión inversa en el sentido inverso. La corriente de fuga inversa es baja pero no nula, y se debe tener en cuenta en aplicaciones donde se requiere un alto nivel de aislamiento.[pic 15]
4. Corriente de Mantenimiento : es la corriente mínima que debe circular a través del SCR una vez que se ha activado para mantenerlo en estado de conducción. Si la corriente cae por debajo de este valor, el SCR se apaga y deja de conducir.[pic 16]
5. Corriente de Retención : es la corriente mínima que debe circular a través del SCR para mantenerlo activado incluso después de que se retire la señal de control en el terminal de GATE. Si la corriente cae por debajo de este valor, el SCR se desactiva y se bloquea.[pic 17]
6. Pérdida de Voltaje Directo : es la caída de tensión que ocurre a través del SCR cuando está en estado de conducción. Esta pérdida de voltaje provoca una disipación de energía y puede ser importante en aplicaciones de alta potencia.[pic 18]

Figura 3

Característica I-V de un SCR en función de la corriente de puerta.[pic 19]

Activación o Disparo de los SCR

Es importante destacar que los métodos de activación pueden variar según el diseño y las especificaciones del SCR utilizado. Cada método tiene sus propias ventajas, limitaciones y aplicaciones particulares. Se debe seleccionar el método de activación más adecuado para la aplicación y tener en cuenta las características y requisitos específicos del SCR utilizado.         Podemos considerar cinco maneras distintas de hacer que el SCR entre en conducción:

Disparo por Tensión Excesiva

Es un método de activación de un SCR que aprovecha una tensión excesiva aplicada entre el ánodo y el cátodo para desencadenar la conducción del dispositivo. Esta forma de disparo no es común y se considera una activación no intencionada del SCR. Cuando se aplica una tensión excesiva, por encima del valor nominal de bloqueo directo del SCR, el campo eléctrico intenso generado puede provocar el inicio de la conducción a través del dispositivo. Esto ocurre debido a la ruptura dieléctrica en el material semiconductor.

Disparo por Impulso de Puerta

Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión  y la corriente .[pic 20][pic 21]

Es importante destacar que los valores  y , así como la corriente , son características específicas del SCR y pueden variar según el fabricante y el modelo del dispositivo. Estos valores se proporcionan en las hojas de datos técnicos o especificaciones del SCR y son importantes para garantizar un funcionamiento confiable y seguro del dispositivo. [pic 22][pic 23][pic 24]

A continuación, se explican brevemente estos términos:

El valor , indica la mínima tensión de puerta que asegura la conducción de todos los componentes de un tipo determinado, para la mínima temperatura especificada.[pic 25]

El valor , es la máxima tensión de puerta que asegura que ningún componente de un tipo determinado entrará en conducción, para la máxima temperatura de operación.[pic 26]

La corriente , es la mínima corriente necesaria para asegurar la entrada en conducción de cualquier dispositivo de un cierto tipo, a la mínima temperatura.[pic 27]

Disparo por Derivada de Tensión

Los SCR pueden activarse debido a una rápida variación de la tensión en el ánodo-cátodo, conocida como . Esta variación rápida de la tensión puede generar un campo eléctrico intenso que desencadena la activación del SCR. Sin embargo, no todos los SCR están diseñados para responder a este método de activación.[pic 28]

Disparo por Temperatura

El aumento de temperatura puede generar una corriente de fuga suficiente en una unión P-N inversamente polarizada para llevar el SCR al estado de conducción. Sin embargo, este método no se recomienda para una activación controlada y confiable del dispositivo.

Disparo por Luz

Algunos SCR especiales, llamados SCR de activación por luz o LSCR (Light-Activated SCR), pueden activarse mediante la exposición a la luz intensa, como un pulso de luz láser. La luz incidente genera portadores de carga dentro del SCR, lo que desencadena su activación y conducción.

Materiales e Instrumentos

Se implementaron una serie de instrumentos y materiales para lograr experimentar los fenómenos que se presentaban en el monte correspondiente a la práctica (ver tabla 1).

Tabla 1

Materiales e instrumentos

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