Los tirisores son una clase de interruptores semiconductores que forman la columna vertebral de la electrónica de potencia moderna. Son capaces de manejar altas tensiones y corrientes con una notable eficiencia, haciéndolos indispensables en aplicaciones que van desde unidades de motor industriales a martillos de luz de consumo. Mientras que el principio básico - una estructura de cuatro capas p-n-p-n que se desvía en conducción al desencadenar - se comparte a través de todos los tirisores, cada familia

Estructura fundamental y funcionamiento de los tirisores

Todos los tirisores se construyen desde cuatro capas alternas de material semiconductor tipo p-n-p-n, formando una estructura p-n-n. Esto crea tres cruces p-n (J1, J2, y J3). En ausencia de una señal de puerta, el dispositivo bloquea la corriente en ambas direcciones (si bidirectional) o en una dirección (si unidireccionalmente se activa una pequeña corriente de gatelay a la interior

Tipos principales de tirisores

Rectificadores controlados por silicona (SCRs)

El rectificador controlado por silicona es el más utilizado turistor y la fundación de la familia. Los SCR son dispositivos unidireccionales: bloquean la tensión inversa y conducen la corriente sólo en la dirección de avance cuando se activa. Sus clasificaciones de tensión típicas van desde unos pocos cientos de voltios a varios kilovoltios, con capacidades actuales que se extienden a miles de amperios.

Para una lectura más profunda sobre las calificaciones de SCR y las notas de aplicación, consulte el artículo Wikipedia sobre rectificadores controlados por el silicio.

TRIACs (Triode for Alternating Current)

Los dispositivos de control de velocidad son esencialmente dos SCR conectados en antiparalelo en un solo chip, lo que les permite llevar a cabo la corriente en ambas direcciones. Esta capacidad de conmutación bidireccional hace que los TRIACs sean la opción natural para el control de potencia AC. Se activan por una señal de puerta de polaridad, y pueden ser utilizados en circuitos simples de control de fases como los reguladores de velocidad de ventiladores, y pequeños controles de calor.

DIACs (Diodo para la Corriente de Alternación)

Los DIAC son diodos de disparador bidireccional que no tienen una terminal de portones. En lugar, cambian de un estado de alta resistencia a un estado de baja resistencia cuando el voltaje a través de ellos supera un cierto voltaje (normalmente 30 V). Una vez que se conduce, se mantienen en hasta que la corriente cae por debajo de un umbral. Los DIAC son casi exclusivamente utilizados en combinación con TRIACs para proporcionar un pulso de control de por puerta de por puerta de por puerta de por puerta

Shockley Diodes

Se llama después de que William Shockley, el diodo Shockley es un dispositivo de dos plazos p-n-p-n que funciona como un simple cierre. No tiene puerta; se desencadena cuando el voltaje aplicado supera su tensión de separación (normalmente 20–200 V). Una vez activado, conduce pesadamente hasta que la corriente se interrumpe.

Puertas de Tirisores de Turn-Off (GTO)

Una limitación importante de los tirisores convencionales es la incapacidad de apagarlos a través de la puerta. La puerta de desvío tisristor supera esta limitación: una GTO puede ser apagado aplicando un pulso de corriente de puerta negativo de suficiente magnitud. Esta característica hace que los GTO sean valiosos en los circuitos de inversor donde se requiere conmutación de enlace DC, como en unidades de motor de tensión media, invertidos de tracción y carga

Tirisores integrados de puerta y conmutación (GEI)

El IGCT es una evolución de la GTO que integra la electrónica de conductor de puerta en el paquete de tiristor. Al colocar la unidad de puerta muy cerca de la olla de silicio, el IGCT logra una inductancia de puerta extremadamente baja, permitiendo un rendimiento más rápido y eficiente. Los IGCT son ampliamente utilizados en aplicaciones de alta potencia como invertidores de alta fuente de tensión (VSIs) para unidades industriales, turbinas de viento

Otros Tiristors especializados

Varios dispositivos de tostórax menos comunes abordan nichos de aplicación específicos. Los tirisores activados por la luz (LASCR) son desencadenados por pulsos ópticos, proporcionando aislamiento galvánico en sistemas de alta tensión. Los tirisores de transmisión transversal (RCT)

Principios de trabajo en profundidad

Entender los mecanismos de cierre y conmutación es esencial para el diseño de circuitos confiables. Cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo de un SCR (con respecto a la caucho), las uniones J1 y J3 son desviadas, mientras que J2 es descomposición; el dispositivo está en el estado de bloqueo adelante. Una corriente de compuerta inyectada en la capa de p-base reduce la capacidad de bloqueo resultante

Para apagar el tiristor, la corriente de ánodo debe reducirse por debajo de la corriente de retención por un tiempo suficiente para permitir la recombinación de los transportistas minoritarios. En los circuitos AC, el cruce natural de la corriente realiza esta conmutación (comutación natural). En los circuitos DC, la conmutación forzada - usando circuitos externos como un condensador resonante y el cable auxiliar de turistor - es requerido.

Aplicaciones de Tiristors Across Industries

Conversión de energía y Rectificación

Los rectificadores basados en SCR convierten AC a DC ajustable para procesos electroquímicos (electroplatino, anodizado), unidades de motor DC y suministros de potencia ininterrumpibles (UPS). Los rectificadores controlados por fase ofrecen una regulación de tensión robusta con componentes mínimos. En configuraciones de tres fases, puentes de seis pulsaciones y doce pulsaciones ofrecen un DC suave con contenido armónico moderado.

Control de velocidad de motor AC

Los TRIAC y SCR se utilizan en unidades de control de fase AC para motores de una fase y tres fases pequeñas. Los TRIACs son favorecidos para ventiladores y bombas de consumo de bajo costo, mientras que los SCR aparecen en arranques suaves industriales de mayor potencia que el voltaje de motor de rampa para limitar la corriente de entrada. Los APP avanzada utilizan los tirisores de respaldo para topologías de cicloconverter de baja velocidad.

Control de regulación de luz y calefacción

Los dimmers domésticos de luz dependen de circuitos TRIAC con DIAC activando para variar el ángulo de conducción de la forma de onda AC. El mismo principio se utiliza en mantas eléctricas, planchas soldadoras y placas calientes para el control de temperatura proporcional. La simplicidad y eficiencia energética del control de fase lo hacen omnipresente en cargas resistivas y ligeramente inductivas.

Protección de sobrevoltaje y de Superficie

Los circuitos de protección de turista crowbar de abrazar voltajes de tensión mediante un cortocircuito de la carril de suministro cuando se detecta una sobrevoltaje. Un pequeño titrista de señal (a menudo un SCR sensible) es disparado por un diodo de zener cuando el voltaje supera un umbral, desviando energía de falla.

Energía renovable y HVDC

En grandes turbinas eólicas e inverters solares, GTOs e IGCT se utilizan en la etapa de inverter de la cuadrícula para sintetizar AC de alta calidad desde un enlace DC. Los convertidores HVDC emplean normalmente válvulas tisristor (series pilas de SCRs de la mochila de prensa) valorados por cientos de kilovoltios y kiloamperes.

Calefacción de soldadura industrial y de inducción

Las máquinas de soldadura de resistencia utilizan los contactores SCR para cambiar las altas corrientes primarias en el transformador de soldadura. Las fuentes de energía de calefacción de inducción emplean tirisores a frecuencias medias (hasta 10 kHz) para procesos como endurecimiento, enfriamiento y forja. La capacidad de manejar las altas corrientes de pico sin fallo prematuro es una ventaja clave.

Para ejemplos de aplicación más detallados, consulte el Artículo de Tutoriales Electrónicos sobre tirisores.

Selección de la derecha Tiristor

Elegir el correcto tiristor implica evaluar varios parámetros: el valor de tensión (V]DRM, VRRM), la corriente de estado (I

La gestión térmica es igualmente crítica: la resistencia térmica de unión a medida (R) determina el sintonizador de calor necesario. Los paquetes de paquete de presión proporcionan una baja resistencia térmica y un enfriamiento doble cara para dispositivos de alta potencia. Los paquetes de módulos integran múltiples tirisores para configuraciones de puentes. La unidad de puerta debe proporcionar una pérdida de pulso aguda y alta corriente (típicamente 10 veces de volquete).

Ventajas y limitaciones

Los tirisores ofrecen beneficios distintos: altas tasas de corriente y tensión en un paquete compacto, muy baja caída de tensión en estado (de ahí bajas de conducción), y alta capacidad de corriente de aumento. También son extremadamente confiables en condiciones de cortocircuito, muchos diseños intencionalmente confían en el turistor para sobrevivir corrientes de falla hasta que un fusible sopla. La principal limitación es la incapacidad de apagar a través de la puerta en los tipos convencionales, que requieren velocidad natural o forzado.

Future Outlook

A pesar del aumento de IGBTs y SiC MOSFETs, los tiristors siguen siendo irreemplazables en los niveles de potencia más altos. Las nuevas tecnologías como los tirisores SiC prometen pérdidas aún más bajas y temperaturas de funcionamiento más altas, ampliando el alcance de los convertidores basados en tisristor en entornos extremos. Los IGCT de la mochila de prensa continúan siendo desarrollados para la próxima generación de HVDC y los invertidos de bajo costo de almacenamiento de energía.

Para una revisión completa de las familias tiristoráticas modernas y sus calificaciones, vea la All About Circuits overview of thyristors].

Conclusión

Desde el SCR básico hasta el IGCT sofisticado, la familia tiristor ofrece un espectro de dispositivos de conmutación adaptados a los desafíos de electrónica de potencia en cada voltaje y rango actual. Comprensión de las características distintas de cada tipo, sus métodos de activación, los mecanismos de de desvío y las fortalezas específicas de la aplicación, los ingenieros pueden diseñar sólidos, eficientes y rentables circuitos de potencia.