Tiristores y sus aplicaciones

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
PLANTEL ZACATENCO
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
DISPOSITIVOS
TIRISTORES
TEORÍA Y APLICACIONES
Grupo:
5CV5
Alumno:
Salguero Fioratti José Luis
Profesor:
Jorge Orozco Santamaría
MAYO DE 2013

1
ÍNDICE - - - - - - 1
INTRODUCCIÓN - - - - - - 2
Definición - - - - - - 2
Funcionamiento básico - - - - - - 2
Fabricación - - - - - - 2
Aplicaciones - - - - - - 3
Formas de activar un tiristor - - - - - - 4
DIODO SHOCKLEY - - - - - - 6
Operación - - - - - - 7
Condiciones de conmutación - - - - - - 7
Ejemplo - - - - - - 8
SCR (Rectificador Controlado de Silicio) - - - - - 9
Operación - - - - - 10
Condiciones de conmutación - - - - - 10
Ejemplo - - - - - - 11
GTO (Interruptor por Control de Puerta) - - - - 12
Operación - - - - - - 13
Ejemplo - - - - - - 14
SCS (Conmutador Controlado de Silicio) - - - - - 15
Operación - - - - - - 16
Ejemplo - - - - - - 17
DIAC (Diodo de Corriente Alterna) - - - - - - 18
Operación - - - - - - 19
Ejemplo - - - - - - 20
TRIAC (Triodo de Corriente Alterna) - - - - - 21
Operación - - - - - - 22
Ejemplo - - - - - - 23
Otros Tiristores - - - - - - 24
SCR Activado por luz - - - - - - 24
SBS Conmutador Bilateral de Silicio - - - - - - 24
Bibliografía - - - - - - 25

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INTRODUCCIÓN
Definición.
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de varias capas
que presentan una acción de conmutación biestable, debido a su inherente
realimentación regenerativa. Los materiales de los que se componen son de
tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se
encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. En su
gran mayoría son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten
la corriente en un único sentido aunque existen combinaciones de ellos que
conectados de forma anti paralela se comportan de manera bidireccional,
esto quiere decir que la corriente puede viajar a través de ellos en dos
sentidos distintos. Se emplea generalmente para el control de potencia
eléctrica.
Funcionamiento básico.
El tiristor es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por
tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso
de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de
soportar grandes sobrecargas de corriente.
El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al
recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control,
denominada puerta (o en inglés, gate), a medida que aumenta la corriente de
puerta se desplaza el punto de disparo.
Fabricación.
Técnica de Difusión-Aleación:
La parte principal del tiristor está compuesta por un disco de silicio de
material tipo N, 2 uniones se obtienen en una operación de difusión con
galio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del disco. En la cara
exterior se forma una unión, con un contacto oro-antimonio. Los contactos
del ánodo y cátodo se realizan con molibdeno. La conexión de puerta se fija a

3
la capa intermedia (tipo P) usando aluminio. Esta técnica se usa solamente
para dispositivos que requieren gran potencia.
Técnica "Todo Difusión":
Se trata de la técnica más usada, sobre todo en dispositivos de mediana o
baja intensidad, el problema principal de esta técnica reside en los contactos,
cuya construcción resulta más delicada y problemática que en el caso de
difusión-aleación. Las 2 capas P se obtienen por difusión del galio o el
aluminio, mientras que las capas N se obtienen mediante el sistema de
máscaras de óxido. El problema principal de este método radica en la
multitud de fases que hay que realizar. Aunque ciertas técnicas permiten
paralelizar este proceso.
Técnica de Barrera Aislante:
Esta técnica es una variante de la anterior. Se parte de un sustrato de silicio
tipo N que se oxida por las dos caras, después en cada una de las 2 caras se
hace la difusión con material tipo P. Una difusión muy duradera y a altas
temperaturas produce la unión de las 2 zonas P. Después de este proceso se
elimina todo el óxido de una de las caras y se abre una ventana en la otra, se
realiza entonces en orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P.
Después de una última difusión N el tiristor ya está terminado a falta de
establecer las metalizaciones, cortar los dados y encapsularlos.
Aplicaciones
Normalmente son usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy
grandes, también son comúnmente usados para controlar corriente alterna
donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o
desconexión del dispositivo. Se puede decir que el dispositivo opera de forma
síncrona cuando, una vez que el dispositivo está abierto, comienza a conducir
corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la
necesidad de replicación de la modulación de la puerta. En este momento el
dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. No se debe
confundir con la operación simétrica, ya que la salida en la mayoría como se
mencionó anteriormente es unidireccional y va solamente del cátodo al
ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.

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Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en
controladores accionados por ángulos de fase, esto es una modulación por
ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna.
En circuitos digitales también se pueden encontrar tiristores como fuente de
energía o potencial, de forma que pueden ser usados como interruptores
automáticos magneto-térmicos, es decir, pueden interrumpir un circuito
eléctrico, abriéndolo, cuando la intensidad que circula por él se excede de un
determinado valor. De esta forma se interrumpe la corriente de entrada para
evitar que los componentes en la dirección del flujo de corriente queden
dañados.
La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la
tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión, como un enchufe,
por ejemplo. A comienzo de los ‘70 se usaron los tiristores para estabilizar el
flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.
Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna, es decir,
para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este
punto los tiristores onduladores o inversores), para la realización de
conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos.
Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación,
calentadores, control de temperatura, activación de alarmas, velocidad de
ventiladores), herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como
velocidad de motores, cargadores de baterías), equipos para exteriores
(aspersores de agua, encendido de motores de gas, pantallas electrónicas,
entre otros).
Formas de activar un tiristor.
Luz:
Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo
silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el
tiristor.

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Corriente de Compuerta:
Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de
compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará.
Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo
directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica:
Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de
pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo
cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción
regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse.
Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente
cuando en un diseño se establece este método como método de activación,
esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje:
Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de
ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande
para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo
de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo:
Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta,
entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el
tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

6
DIODO SHOCKLEY
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor Diodo de Bloqueo Inverso
(Reverse Blocking Diode Thyristor)
Nombre Común Diodo Shockley
Número de Capas 4, 3 uniones
Número de Terminales 2
Disparo Principal Mediante Tensión más alta que la de ruptura del
ánodo
Valores Máximos Disponibles 400v, 300Apico de impulso
Principales Aplicaciones Disparador SCR, circuitos de
temporización, generadores de impulsos
Unidireccional / Bidireccional Unidireccional
* La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)
es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Numerosas
normas se desarrollan conjuntamente con la ISO (normas ISO/IEC).
REPRESENTACIÓN

7
OPERACIÓN
CONDICIONES DE CONMUTACIÓN
El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por
cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como interruptor:
está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra
y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por
debajo de un valor específico.
Donde:
IMAX – Corriente máxima
que acepta el dispositivo
en conducción
IH – Corriente de
sostenimiento
VBO – Voltaje a partir del
cual el dispositivo entra
en conducción
VRB – Voltaje de ruptura
 Cuando se polariza inversamente ánodo-cátodo.
 La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor negativo
que supere al voltaje de ruptura VRB o bien si se supera la
corriente máxima IMAX.
 Siempre que no se supere IH.
 Polarizado directamente ánodo-cátodo y superando a VBO,
hecho esto, no disminuir la corriente de sostenimiento IH.

8
EJEMPLO
El diodo mostrado tiene una tensión de cebado (VB = VBO) de 10v. Si la tensión
de entrada se incrementa a 15v, ¿cuál es la corriente por el diodo?
SOLUCIÓN.
De forma ideal el diodo en conducción se comporta como circuito cerrado,
por lo tanto:
Se trata de un diodo de Silicio, estamos hablando de que en modo de
conducción la caída de voltaje en el componente será de 0.7v, así llegamos a
la siguiente relación:
De las hojas de especificaciones del diodo 1N5158 se tiene que la caída de
voltaje en el elemento es de 0.9v cuando existe una corriente circulante de
150mA, de esta forma llegamos a una relación más precisa:

9
SCR
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor Triodo de Bloqueo Inverso
(Reverse Blocking Triode Thyristor)
Nombre Común Rectificador Controlado de Silicio
Disparo Principal Mediante Señal de compuerta
Valores Máximos Disponibles 1800v, 550Amedia
Principales Aplicaciones Conversión de potencia sustituyendo a
dispositivos electromecánicos de control
de velocidad de motor, control de fase de
conmutación.
REPRESENTACIÓN

10
OPERACIÓN
Un SCR, (rectificador controlado de silicio) es un dispositivo de tres terminales usado para
controlar corrientes más bien altas para una carga. Un SCR actúa a semejanza de un
interruptor. Cuando está en conducción, hay una trayectoria de flujo de corriente de baja
resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado cuando está
en corte, no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un
interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación
de un SCR es muy rápida.
El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en
serie con la carga.
Donde:
IMAX – Corriente máxima que
acepta el dispositivo en
conducción
IH – Corriente de sostenimiento
VH – Voltaje de sostenimiento
VBO – Voltaje que permite la
conducción
VRSH – Voltaje avalancha
IRSH – Corriente avalancha
IG – Corriente de compuerta
 Cuando se polariza inversamente ánodo - cátodo y/o IG=0
 La destrucción del dispositivo se puede dar si se llega al punto de
ruptura por avalancha (VRSH, IRSH) o superando la corriente
máxima de conducción IMAX.
 No llegar al punto de mantenimiento
hecho esto, se debe lograr llegar al punto de mantenimiento, el
tiempo para lograrlo disminuirá de acuerdo a la forma en que IG
aumente.

11
EJEMPLO
El SCR siguiente tiene una tensión de disparo de 0.75v y una corriente de
disparo de 7mA. ¿Cuál es la tensión de entrada que cierra el SCR? Si la
corriente de mantenimiento es de 6mA, ¿cuánto vale la tensión de
alimentación que lo abre?
SOLUCIÓN.

12
GTO
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor de Apagado
(Turnoff Thyristor)
Nombre Común Conmutador con Control de Compuerta
Disparo Principal Mediante La compuerta conmuta al dispositivo
entre sus estados de corte y conducción
Valores Máximos Disponibles 500v, 10A
Principales Aplicaciones Conmutadores de corriente continua,
inversores, torcedores, circuitos lógicos
REPRESENTACIÓN

13
OPERACIÓN
Actúan como interruptores completamente controlables, los cuales pueden ser encendidos
y apagados en cualquier momento con una señal de compuerta. Estos componentes están
optimizados para tener muy bajas pérdidas de conducción y diseñados para trabajar en las
mas demandantes aplicaciones industriales.
Donde:
IH – Corriente de
sostenimiento
IG – Corriente de
compuerta
VB – Voltaje de ruptura
VBO – Voltaje que permite
la conducción
que supere al voltaje de ruptura VB y también superando IMAX.
 Con una IG<0 entre compuerta y cátodo.
hecho esto, se debe aplicar una IG positiva manteniendo IH.
 Con una corriente IG positiva entre compuerta y cátodo.

14
EJEMPLO
Cada disparo positivo cierra el GTO y cada disparo lo abre. El GTO es muy útil
en contadores, circuitos digitales y otras aplicaciones en las cuales un disparo
negativo está disponible para bloquearlo.

15
SCS
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor Tetrodo de Bloqueo Inverso
(Reverse Blocking Tetrode Thyristor)
Nombre Común Conmutador Controlado de Silicio
Disparo Principal Mediante Cualquiera de sus compuertas
Valores Máximos Disponibles 200v, 1A medio
Principales Aplicaciones Excitadores de lámpara, circuitos lógicos,
contadores, circuitos de detección y
alarma.
REPRESENTACIÓN

16
OPERACIÓN
Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de
puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de
potencia menores que el SCR. El inconveniente que presenta respecto al SCR es que se
encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente.
Donde:
IH – Corriente de
sostenimiento
IG – Corriente de
compuerta
VB – Voltaje de ruptura
la conducción
que supere al voltaje de ruptura VB.
 Con un valor de KG=0v y AG>0v
hecho esto, se debe aplicar un valor en KG>0v y AG=0v positiva
manteniendo IH.

17
EJEMPLO
Circuitos de apagado para el SCS
a) El transistor conduce plenamente, y ocasiona una característica de baja
impedancia desvía la corriente del ánodo del SC, lo que provoca que éste
caiga por debajo de su nivel de sostenimiento y por consecuencia lo apaga.
b) El pulso positivo en la compuerta del ánodo apagará al SCS mediante el
mecanismo antes descrito en esta sección.
c) Este circuito puede ser tanto de encendido como de apagado mediante un
pulso con la magnitud adecuada en la compuerta de cátodo. La característica
de apagado será posible sólo si se utiliza el valor correcto de RA, el cual
controlará la cantidad de retroalimentación regenerativa, donde la magnitud
de ésta es crítica para este tipo de operación.

18
DIAC
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor Diodo Bidireccional
(Bidirectional Diode Thyristor)
Nombre Común DIAC
Disparo Principal Mediante Tensión más alta que la de ruptura en
cualquier dirección
Valores Máximos Disponibles 400v, 600A Eficaces
Principales Aplicaciones Protección de sobre-tensión en disparo
del TRIAC, control de fase de CA
Unidireccional / Bidireccional Bidireccional
REPRESENTACIÓN

19
OPERACIÓN
El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones.
Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado
su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor
característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para
ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de
alrededor de 30 V.
Donde:
IH – Corriente de
sostenimiento
del dispositivo
la conducción
 La destrucción del dispositivo se puede dar por un valor que
supere a IMAX en cualquiera de los sentidos.
 Siempre que no se supere IH en ningún sentido ni a VBO.
 Con un voltaje aplicado entre MT1 y MT2 (o bien de MT2 a MT1)
que supere a VBO, alcanzando así por lo menos a IH.
 Siempre que IH se mantenga.

20
EJEMPLO
Detector de proximidad o sensor al tacto
A medida que el cuerpo humano se acerca al electrodo sensor, la
capacitancia entre el electrodo y la tierra se incrementará. El UJT
programable (PUT) es un dispositivo que disparará (entrará al estado de
circuito cerrado) cuando el voltaje del ánodo VA sea al menos 0.7v (Silicio)
mayor que el voltaje de compuerta VG

21
TRIAC
Nombre Oficial
IEC*
Tiristor Triodo Bidireccional
(Bidirectional Triode Thyristor)
Nombre Común TRIAC
Disparo Principal Mediante Señal de compuerta
Valores Máximos Disponibles 1000v, 200A Eficaces
Principales Aplicaciones Conmutación y control de fase de
suministro de CA @60Hz tal como en
motores y calefactores de CA
Unidireccional / Bidireccional Bidireccional
REPRESENTACIÓN

22
OPERACIÓN
El TRIAC es fundamentalmente un DIAC con una terminal de compuerta para controlar las
condiciones de encendido del dispositivo bilateral en cualquier dirección. La corriente de
mantenimiento no está presente en cada dirección como lo es en el DIAC. Se puede
disparar mediante un pulso de corriente de compuerta y no requiere alcanzar el voltaje VBO
(VBR) como el DIAC.
Donde:
IH – Corriente de
sostenimiento
la conducción
IG – Corriente de
compuerta
del dispositivo
 La destrucción del dispositivo se puede dar si se supera IMAX en
cualquier sentido.
 Con una IG=0.
 Polarizado directamente A2-A1 y superando a VBO (cuadrante I),
hecho esto, se debe aplicar una IG positiva manteniendo IH.
 Polarizado directamente A1-A2 y superando a VBO (cuadrante III),
hecho esto, se debe aplicar una IG negativa manteniendo IH.

23
EJEMPLO
En la siguiente figura el interruptor está cerrado. Si el TRIAC se ha disparado,
¿cuál es aproximadamente la corriente que circula por la resistencia de 22Ω?
SOLUCIÓN.
En el caso ideal, el TRIAC tiene 0v a través de él cuando conduce. Por
consiguiente, la corriente que circula por los 22Ω es:
Incluso si el TRIAC tiene 1 o 2v a través de él, la corriente que circula por los
22Ω es muy cercana a 3.41A debido a la elevada tensión de alimentación que
oculta el efecto del TRIAC en la tensión.

24
OTROS TIRISTORES
SCR Activado por luz
 Disparo principal mediante señal de puerta
y/o radiación.
 Sus principales aplicaciones están en:
monitores de posición, interruptores
estáticos, interruptores de límite, circuitos
disparadores, controles fotoeléctricos.
 Su gráfica de operación es igual a la del SCR.
SBS Conmutador Bilateral de Silicio
 Disparo principal mediante una tensión
más alta que la de ruptura o bien por la
señal de puerta.
 Entre sus aplicaciones principales se
encuentran los circuitos de temporización,
disipadores, detector de umbral, etc.

25
BIBLIOGRAFÍA
 Principios de Electrónica, 6ta Edición. Malvino.
 Electrónica, teoría de circuitos, 5ta Edición, Robert Boylestad.
 profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm
 unicrom.com/Tut_rectificador_gobernado_silicio_SCR.asp
 es.wikipedia.org/wiki/Diac
 www.get.bme.hu/edu/subjects/VIAU0030/final/3.2_PSD_Dudrik_EN_F
INAL/html/sekundarne/3_sek_en.htm
 datateca.unad.edu.co/contenidos/201419/contLinea/leccin_28_otros_
tiristores.html
 http://temporizadoressebastian.blogspot.mx/2011/12/gto-gate-turn-
off-thyristor-pesar-de.html

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