Comprender el rectificador controlado por silicio (SCR)
El rectificador controlado por silicio (SCR) es una parte clave de la electrónica de potencia, que evoluciona desde el diodo de Shockley más simple.El diodo de Shockley actuó como un interruptor básico pero no se pudo controlar externamente.Agregar un terminal de puerta para crear el SCR permitió un control preciso sobre su conducción, convirtiéndolo en un componente activo para administrar la potencia en varios circuitos.Este artículo cubre la estructura y operación del SCR, incluida su configuración interna y su mecanismo de retroalimentación positiva para una conmutación eficiente.Explica diferentes métodos de activación y la necesidad de activación controlada para un rendimiento confiable.El artículo también analiza la funcionalidad de prueba de SCR, usos en el control de potencia de CA, técnicas de activación avanzada, tipos de SCR y nuevas tendencias en tecnología SCR.El objetivo es dar una comprensión clara de los SCR, cómo funcionan y su papel en la electrónica moderna.Catalogar
Diodo de Shockley a SCR
Figura 1: Diodo de Shockley
El diodo Shockley, una versión temprana del dispositivo PNPN, funciona como un interruptor básico que se activa cuando alcanza un cierto voltaje.Sin embargo, tiene un uso limitado porque carece de control sobre su conmutación.La introducción del SCR mejora en el diodo de Shockley agregando un terminal de puerta.Esta adición permite el control externo del estado de conducción del dispositivo, cambiándolo de un interruptor simple a un componente activo que puede manejar niveles de potencia más altos con mayor precisión.Este cambio aumenta enormemente la utilidad del dispositivo, lo que lo hace adecuado para muchos más circuitos electrónicos.
La estructura del rectificador controlado por silicio
Figura 2: interruptor controlado por silicio
La evolución de un diodo de Shockley a un SCR implica agregar un terminal de compuerta a la estructura PNPN existente.Este terminal de compuerta permite que el SCR sea controlado por una señal externa, proporcionando una forma de encender y apagar el dispositivo según sea necesario.Este cambio hace que el SCR sea un componente activo, ampliando en gran medida su uso en varios circuitos electrónicos.La capacidad de controlar la acción de conmutación con una señal externa crea nuevas posibilidades para una gestión de energía precisa, que es muy útil para aplicaciones electrónicas modernas.
Estructura y operación de un SCR
Figura 3: Estructura y operación de un SCR
Un SCR está compuesto por cuatro capas semiconductoras que forman tres uniones PN, con un ánodo, un cátodo y un terminal de puerta.Cuando la puerta queda no conectada, el SCR actúa como un diodo de Shockley, activado cuando se alcanza el voltaje de rotura.Sin embargo, la aplicación de un pequeño voltaje a la puerta permite que el SCR se active a propósito.
Ruta de conducción de SCR
Cuando se aplica una pequeña corriente a la puerta, el transistor inferior en el SCR se enciende.Esta acción luego enciende el transistor superior, creando un bucle que mantiene el SCR en el estado "On", lo que permite que la corriente fluya desde el ánodo hasta el cátodo.Después de que esto sucede, la corriente de la puerta ya no es necesaria para mantener el SCR puesto.El SCR tiene dos transistores trabajando juntos para mantenerlo una vez que comienza.Este diseño ayuda al SCR a cambiar rápidamente de apagado a encendido.
Figura 4: Ruta de conducción de SCR
Para comprender cómo funciona un SCR, mire su configuración interna.Cuando se envía un pulso a la puerta, activa el transistor inferior, permitiendo que la corriente pase a través del transistor superior y manteniendo el inferior.Este bucle asegura que el SCR permanezca encendido hasta que la corriente caiga por debajo de cierto nivel, llamado corriente de retención.Esto hace que SCRS sea útil para cambiar y administrar la energía de manera confiable.
Métodos de activación y disparo
El activación, también llamado disparo, significa aplicar un pulso de voltaje al terminal de la puerta del SCR.Este método asegura que el SCR se encienda solo cuando sea necesario, sin importar si el voltaje va por encima del punto de rotura.La activación inversa, que apaga el SCR aplicando un voltaje negativo a la puerta, también se puede hacer, pero es menos eficiente porque requiere mucha corriente.
Símbolo del tiristor de apagado (GTO)
Figura 5: símbolo de GTO
Activar un SCR es clave para su funcionamiento.La corriente de la puerta necesaria para activar un SCR es mucho más baja que la corriente que fluye a través del dispositivo, proporcionando cierta amplificación.Una vez activado, el SCR permanece en el estado conductor hasta que la corriente a través de él cae por debajo de un cierto nivel, conocido como la corriente de retención.Esta característica es muy útil en aplicaciones donde se necesita conmutación controlada, asegurando que el SCR permanezca encendido hasta que la corriente de carga disminuya lo suficiente como para apagarlo.Esta activación controlada y desactivación hacen que los SCR sean muy adecuados para aplicaciones que requieren una gestión de energía precisa.
Prueba de funcionalidad SCR
Para probar si funciona un SCR, puede comenzar con una verificación básica utilizando un ohmímetro para medir la unión de puerta a cátodo.Sin embargo, esta simple prueba no es suficiente.También debe ver cómo se desempeña el SCR bajo carga.Para una prueba exhaustiva, configure un circuito con una fuente de alimentación de CC y los interruptores de botón para observar cómo se enciende y apagan el SCR cuando está conectado a una carga.
Figura 6: Circuito de prueba SCR
Para garantizar que los SCR funcionen correctamente, varios pasos están involucrados en sus pruebas.Se puede construir un circuito de prueba simple utilizando una fuente de alimentación de CC, una resistencia de carga y interruptores de botón para simular los procesos de activación y mantenimiento.Al observar el comportamiento de SCR en esta configuración, uno puede confirmar su capacidad de aferrarse y apagarse como se esperaba.Este proceso de prueba ayuda a diagnosticar problemas potenciales y garantiza la confiabilidad de SCR en aplicaciones del mundo real.Las pruebas integrales en condiciones de carga reales ayudan a encontrar debilidades o defectos en el SCR, asegurando un rendimiento confiable en aplicaciones exigentes.
Control de SCR de la alimentación de CA
Los SCR a menudo se usan donde se deben cambiar grandes cantidades de energía, pero los circuitos de control solo manejan la corriente y el voltaje pequeños para simplificar y confiabilidad.Esto hace que SCRS sea perfecto para situaciones que necesitan mecanismos de control fuertes pero sensibles.Por ejemplo, la potencia de disparo de una SCR puede ser tan baja como 50 microondas (1 V, 50 µA), asegurando que los contactos actuantes solo manejen esta pequeña señal.Una vez activado, el SCR puede manejar y cambiar las cargas de salida directamente, proporcionando hasta 100 vatios o más.Esto permite un control eficiente de los sistemas de alta potencia con una tensión mínima en los circuitos de control.
Figura 7: SCR en control de potencia de CA
En términos de cómo funcionan, el comportamiento inverso del SCR es como un diodo típico de rectificador de silicio, que actúa como un circuito abierto cuando se aplica un voltaje negativo entre el ánodo y el cátodo.En la dirección hacia adelante, el SCR bloquea el flujo de corriente hasta que el voltaje excede un punto de rotura específico, a menos que se aplique una señal de compuerta.Cuando se supera el voltaje de rotura hacia adelante o se introduce una señal de compuerta apropiada, el SCR pasa rápidamente a un estado conductor, con una baja caída de voltaje hacia adelante similar a la de un rectificador de un solo unión.Esta capacidad de conmutación rápida asegura que el SCR pueda administrar de manera confiable las cargas de alta potencia al tiempo que mantiene un requisito de baja potencia para las operaciones de control.
Figura 8: Interruptor en serie
La figura anterior muestra un simple interruptor de serie simple que envía una señal de CA a la puerta de SCR.La resistencia R1 limita la corriente de la puerta para mantenerla segura, mientras que el diodo D evita que el voltaje inverso afecte la puerta durante el ciclo no conductor.La carga (RL) conectada al ánodo puede ser cualquier valor dentro de los límites del SCR.Esta configuración garantiza que el SCR funcione de manera confiable, con activación controlada y protección contra el estrés eléctrico.
Figura 9: Formas de onda del interruptor de CA
Cuando Switch S está abierto, el SCR permanece apagado incluso si la alimentación de CA está presente.El interruptor de cierre S permite que la parte positiva del ciclo de CA active el SCR, lo que hace que se conduzca porque el ánodo es positivo.El SCR se enciende por menos de la mitad del ciclo y se mantiene durante la parte negativa del ciclo.El cierre de S controla cuando el SCR se enciende, lo que permite que la corriente fluya a través de la carga.Para detener la corriente, puede abrir Switch S o esperar el ciclo negativo, que apaga el SCR.Esta configuración permite un fácil control del flujo de corriente en el circuito.
Figura 10: interruptor de derivación
Para controlar un SCR, puede usar DC en la puerta.Aplicar DC a la puerta enciende el SCR.Otra forma es usar un interruptor (s) entre la puerta y el cátodo.Abrir el interruptor enciende el SCR, permitiendo que la corriente fluya a través de la carga.Para apagar el SCR y detener la corriente, cierre el interruptor o aplique un voltaje negativo al ánodo.Este método ayuda a controlar dispositivos como velocidades del motor y niveles de potencia.
Figura 11: Corriente de carga con interruptor cerrado
Se ilustran otros dos métodos simples para cambiar de alimentación a las cargas.En el primer circuito, cerrar la actuación de contacto suministra energía a la carga, mientras que se abre el contacto corta la alimentación.Por el contrario, el segundo circuito funciona en reversa: la alimentación se suministra a la carga solo cuando el contacto está abierto.Ambos circuitos se pueden configurar para "Latch" utilizando un suministro de CC en lugar de la CA que se muestra.
En el primer circuito, un divisor de voltaje compuesto por resistencias R2 y R3 proporciona la señal de compuerta de CA al SCR.Esto permite que el SCR dispare y suministra energía cuando el contacto está cerrado.En el segundo circuito, cerrar el interruptor hace que la puerta y el cátodo tengan el mismo potencial, evitando que el SCR dispare y corta la energía a la carga.Esta configuración simple garantiza un control claro y predecible de la energía a la carga en cualquier configuración.
Figura 12: Corriente de carga con el interruptor abierto
La alimentación de CA se puede controlar utilizando el circuito que se muestra a continuación.En esta configuración, dos SCR están conectados consecutivos para administrar ambos medios ciclos del voltaje de CA.Esta configuración garantiza que cada SCR maneje un medio ciclo de la forma de onda de CA, lo que permite un control eficiente y preciso de la potencia entregada a la carga.
Figura 13: Interruptor de CA con dos SCR
La corriente de control fluye a las puertas a través de la resistencia R3 cuando un interruptor externo (mecánico o electrónico) conecta los terminales de control.Este interruptor puede ser controlado por varios sensores como la luz, el calor o la presión, que activan un amplificador electrónico.Cuando el interruptor se cierra, los SCR se activan con cada ciclo de CA, lo que permite que la alimentación fluya a la carga.Cuando se abre el interruptor, los SCR no disparan y no se entrega potencia a la carga.Este mecanismo administra efectivamente la alimentación de CA suministrada a la carga.
Aplicaciones y tipos de SCRS
Los SCR se usan en muchos campos porque tienen fuertes características de control.Estos incluyen la conversión de potencia, el control del motor y los sistemas de iluminación.Se han desarrollado diferentes tipos de SCR para satisfacer las necesidades específicas:
SCR estándar: Utilizado para fines generales.
SCR de conmutación rápida: Diseñado para aplicaciones de alta frecuencia.
SCR activado por la luz (LTS): Utiliza la luz para activar, proporcionando aislamiento eléctrico.
Gate Turn-Off SCR (GTO): Permite el control de activación y apagado.
Bloqueo inverso SCR: Puede bloquear la corriente en ambas direcciones.
Control de la carga del puente trifásico
Cada tipo de SCR está hecho para necesidades específicas.Los SCR estándar son flexibles y se usan en muchas aplicaciones, mientras que los SCR de cambio rápido son perfectos para operaciones de alta velocidad.Los SCR activados por la luz (LTS) usan la luz para activar la puerta, proporcionando un excelente aislamiento eléctrico.SCRS de apagado de la puerta (GTO) puede encenderse y apagarse, haciéndolos adecuados para aplicaciones de alta potencia.Los SCR de bloqueo inverso están diseñados para bloquear el flujo de corriente en ambas direcciones, mejorando su uso en escenarios de control de potencia de CA.
Figura 14: Control de SCR del puente trifásico de la carga
Aplicaciones prácticas y usos avanzados de SCRS
Los SCR se usan ampliamente en muchas aplicaciones debido a sus fuertes características de control.Algunas aplicaciones notables incluyen:
Sistemas de conversión de potencia: los SCR son componentes clave en los sistemas de conversión de potencia, administrando el cambio de AC a CC Power y viceversa.Estos sistemas se utilizan tanto en configuraciones industriales como en electrónica de consumo, donde se necesita una fuente de alimentación estable y confiable.
Control del motor: en aplicaciones de control del motor, los SCR ajustan la velocidad y el par de los motores eléctricos.Al cambiar el ángulo de disparo, los SCR controlan la potencia entregada al motor, lo que permite un control preciso sobre su funcionamiento.
Sistemas de iluminación: los SCR se usan para atenuar las luces suavemente controlando el ángulo de fase del suministro de CA.Esta capacidad proporciona ahorros de energía y mejora el ambiente en las aplicaciones de iluminación.
Controles de calefacción: en aplicaciones de calefacción, los SCR regulan la potencia entregada a los elementos de calefacción, manteniendo la temperatura deseada con alta precisión.Esto es especialmente útil en procesos industriales que requieren un control preciso de la temperatura.
Circuitos de protección: los SCR actúan como palancas en los circuitos de protección, cortocircuitando la fuente de alimentación en caso de una condición de sobrevoltaje para proteger los componentes electrónicos sensibles del daño.
La amplia gama de aplicaciones muestra la flexibilidad y la utilidad de los SCR en la electrónica moderna, donde se necesitan un control preciso y un rendimiento confiable.
Análisis detallado de las características de SCR
Comprender las características específicas de SCR es clave para su uso efectivo.Las características clave incluyen:
Voltaje de activación de la puerta (VGT)
El voltaje mínimo de la puerta debía encender el SCR.
Manteniendo la corriente (yoH)
La corriente mínima requerida para mantener la conducción del SCR.
Corriente de enganche (yoL)
La corriente mínima necesaria para mantener el SCR en el estado "On" después de que se retira el gatillo de la puerta.
Voltaje de ruptura (VBo)
El voltaje en el que el SCR se encenderá sin ninguna corriente de puerta.
Voltaje de bloqueo hacia adelante (VDrm)
El voltaje máximo que el SCR puede bloquear en la dirección hacia adelante sin conducir.
Voltaje de bloqueo inverso (VRRM)
El voltaje máximo que el SCR puede bloquear en la dirección inversa.
Caída de voltaje en el estado (VTM)
El voltaje cae a través del SCR cuando se lleva a cabo.
calificación DV/DT
La tasa máxima de aumento del voltaje fuera del estado que el SCR puede soportar sin encenderse.
Calificación DI/DT
La tasa máxima de aumento de la corriente en el estado que el SCR puede manejar sin daños.
Protección de SCR y circuitos de desaire
Para mejorar la confiabilidad de los SCR en aplicaciones prácticas, a menudo se usan circuitos de protección.Un método común es el uso de circuitos Snubber.Los circuitos SNUBBER salvaguardan los SCR de altas tensiones DV/DT y DI/DT, lo que puede causar falla temprana.
Figura 15: Protección de SCR
Para proteger el SCR de los picos de voltaje repentino, cada SCR en un circuito convertidor tiene una red R-C Paralel R-C.Esta red SNUBBER protege al SCR contra picos de voltaje interno que ocurren durante el proceso de recuperación inversa.Cuando se apaga el SCR, la corriente de recuperación inversa se redirige al circuito Snubber, que contiene elementos de almacenamiento de energía.
Las oleadas de relámpagos y de conmutación en el lado de entrada pueden dañar el convertidor o transformador.Para reducir el impacto de estos voltajes, los dispositivos de sujeción de voltaje se utilizan en el SCR.Los dispositivos de sujeción de voltaje comunes incluyen varistores de óxido de metal, diodos del tirector de selenio y supresores de diodos de avalancha.
Estos dispositivos tienen una resistencia decreciente a medida que aumenta el voltaje, proporcionando una ruta de baja resistencia a través del SCR cuando se produce el voltaje de sobretensión.La siguiente figura muestra cómo un SCR está protegido de los voltajes excesivos utilizando una red de diodo Thyrector y Snubber.
Técnicas de activación avanzadas para SCRS
Figura 16: Técnica de activación
Más allá de la simple activación de la puerta, los métodos avanzados pueden mejorar aún más el rendimiento de SCR en configuraciones complejas.Estos métodos incluyen:
• Pulse de activación
El uso de pulsos cortos y de alta corriente para activar el SCR asegura que se encienda de manera confiable incluso en entornos ruidosos.
• activación de fase controlada
Alinear la activación de SCR con el suministro de CA permite un control preciso sobre la potencia enviada a la carga.
• Activación ópticamente aislada
El uso de aisladores ópticos para activar el SCR proporciona aislamiento eléctrico y protege los circuitos de control de altos voltajes.
• activación basada en microcontroladores
El uso de microcontroladores para generar pulsos desencadenantes precisos permite esquemas de control sofisticados y un mejor rendimiento en configuraciones complejas.
SCR basado en microcontrolador
Figura 17: activación de SCR basada en microcontroladores
Estas técnicas de activación avanzadas ofrecen más flexibilidad y control en aplicaciones SCR, lo que las hace adecuadas para una amplia gama de productos electrónicos industriales y de consumo.Al usar estos métodos, los ingenieros pueden lograr un control más preciso y confiable sobre los sistemas de gestión de energía, mejorando la eficiencia general y el rendimiento de las soluciones basadas en SCR.
SCR en electrónica de potencia moderna
Los SCR son partes clave para crear sistemas de control de potencia eficientes y confiables.Hacen una gran diferencia en varias áreas principales, incluyendo:
Sistemas de energía renovable: los SCR se utilizan en inversores y controladores de energía para convertir y administrar la energía de fuentes renovables como la energía solar y el viento.Manejan altos niveles de potencia y proporcionan un control preciso, lo que los hace perfectos para estas aplicaciones.
Vehículos eléctricos: en vehículos eléctricos (EV), los SCR se utilizan en controladores de motor y sistemas de carga de baterías.Administran el flujo de alimentación entre la batería y el motor, asegurando un funcionamiento eficiente y una mayor duración de la batería.
Grids inteligentes: en aplicaciones de cuadrícula inteligente, los SCR administran la distribución de la energía eléctrica.Se utilizan en inversores atados a la red, reguladores de voltaje y controladores de ángulo de fase para garantizar la entrega de potencia estable y eficiente.
Automatización industrial: los SCR se utilizan en unidades de motor, controles de calefacción y sistemas de control de procesos en la automatización industrial.Manejan una alta potencia y proporcionan un control preciso, lo que los convierte en componentes centrales en procesos de fabricación automatizados.
Fuentes ininterrumpibles (UPS): los SCR proporcionan una copia de seguridad de energía confiable durante las interrupciones en los sistemas UPS.Ayudan a cambiar suavemente entre la fuente de alimentación principal y la fuente de alimentación de respaldo, asegurando la potencia continua a los sistemas clave.
Tendencias e innovaciones futuras en tecnología SCR
El desarrollo de la tecnología SCR sigue mejorando para satisfacer la necesidad de un control de energía mejor y más confiable.Los nuevos materiales semiconductores como el carburo de silicio (SIC) y el nitruro de galio (GaN) hacen que los SCR funcionen mejor al manejar voltajes más altos, reducir la resistencia y mejorar el manejo del calor.Los tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT) combinan las ventajas de los GTO e IGBT, que ofrecen un cambio rápido, baja pérdida de energía y la capacidad de manejar una alta energía para aplicaciones exigentes.Los métodos de control digital con SCR permiten un control preciso y flexible, lo que hace que los sistemas sean más eficientes y confiables.Los avances en las técnicas de fabricación hacen que los SCR sean más pequeños y adecuados para dispositivos portátiles, lo cual es útil para la electrónica de consumo.Las características de protección mejoradas en SCR, como circuitos de desinflamiento incorporados y protección contra sobrecorriente, también las hacen más confiables y más fáciles de usar.
Conclusión
La corriente de control fluye a las puertas a través de la resistencia R3 cuando un interruptor externo (mecánico o electrónico) conecta los terminales de control.Este interruptor puede ser controlado por sensores como luz, calor o presión, que activan un amplificador electrónico.Cuando el interruptor se cierra, el SCRS se dispara con cada ciclo de CA, lo que permite la alimentación de la carga.Cuando se abre el interruptor, los SCR no disparan, deteniendo el flujo de potencia.Este mecanismo controla la potencia de CA a la carga.
Las mejoras en materiales semiconductores como el carburo de silicio (SIC) y el nitruro de galio (GaN) harán que los SCR sean más eficientes y duraderos.Innovaciones como los tiristores conmutados por Gate Integrated (IGCT) y las técnicas de control digital mejorarán el rendimiento de SCR con un cambio más rápido, pérdidas de energía más bajas y una mejor confiabilidad.Los SCR continuarán desempeñando un papel clave en las nuevas tecnologías, desde redes inteligentes hasta vehículos eléctricos, asegurando un control de energía eficiente y confiable.
Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]
1. ¿Cuáles son las ventajas del rectificador controlado por silicio?
El rectificador controlado por silicio (SCR) ofrece varios beneficios, que incluyen un control de potencia eficiente, una alta confiabilidad, la capacidad de manejar altos voltajes y corrientes, y un control preciso sobre el flujo de potencia.Los SCR también proporcionan velocidades de conmutación rápidas y son duraderas en entornos duros, lo que los hace adecuados para varios usos industriales.
2. ¿Cuál es el propósito del diodo del rectificador de silicio?
Se utiliza un diodo de rectificador de silicio para convertir la corriente alterna (AC) a la corriente continua (DC).Permite que la corriente fluya en una sola dirección, proporcionando rectificación, que se necesita en suministros de alimentación y otros circuitos electrónicos.
3. ¿Por qué necesitamos un rectificador controlado?
Los rectificadores controlados se utilizan para administrar y controlar con precisión el flujo de potencia en dispositivos electrónicos.Permiten ajustar el voltaje y la corriente de salida, lo que se necesita en aplicaciones como control de velocidad del motor, fuentes de alimentación y luces de atenuación.Los rectificadores controlados mejoran la eficiencia y proporcionan estabilidad en la entrega de energía.
5. ¿Cuál es la conclusión de SCR?
El SCR es un componente versátil y confiable en la electrónica de potencia.Proporciona un control preciso sobre las aplicaciones de alta potencia y voltaje, lo que lo hace valioso en varias industrias.Los SCR continúan mejorando con los avances en materiales y tecnología, asegurando su relevancia en futuras aplicaciones.
6. ¿Cuáles son las aplicaciones del diodo rectificador controlado por silicio?
Las aplicaciones de los diodos rectificadores controlados por silicio incluyen control de velocidad del motor, atenuación de luz, regulación de energía en sistemas de energía de CA y CC, protección de sobretensión e inversores.También se utilizan en automatización industrial, alimentación y sistemas de energía renovable como los convertidores de energía solar y eólica.