junio 8, 2021

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¿Qué es un tiristor y de que tipo existen?

Tiristor

Un tiristor es un dispositivo electrónico de material semiconductor, utilizado principalmente para el control de potencia o energía eléctrica.

Aunque su desarrollo inició hace mas de 50 años, actualmente se encuentran presentes en la industria como variadores de velocidad de motores, controladores de temperatura mediante el calentamiento de resistencias y variadores de intensidad luminosa. El SCR y Triac son los mas populares, pero no son los únicos tiristores.

Aquí te platicaré sobre los diversos tipos de tiristores y formas de activación. Te explicaré el principio de funcionamiento del SCR y Triac, así como sus principales aplicaciones.

Para comenzar te diré que los tiristores pertenecen a un área de estudio de la electrónica llamada electrónica de potencia. Cabe señalar que la palabra potencia no necesariamente involucra el manejo de grandes cantidades de potencia, aunque si existen tiristores para el manejo de grandes magnitudes de voltaje y corriente.

Es decir, la electrónica de potencia centra su estudio en los dispositivos y circuitos electrónicos que permiten la conversión de energía, así como su control. Un ejemplo de circuitos convertidores de energía son los rectificadores, convertidores cd-cd, inversores y cicloconvertidores.

En una publicación anterior, donde hablé del diodo también traté el tema de los rectificadores. Recuerda que son circuitos que convierten voltaje de corriente alterna en voltaje de corriente continua.

Asimismo, los convertidores de cd-cd, son circuitos que convierte un voltaje de corriente directa a otro voltaje de directa con diferente magnitud o polaridad. Un inversor es aquel circuito que permite la conversión de un voltaje de corriente directa a un voltaje de corriente alterna.

Es decir, realiza la operación inversa del rectificador. Por último, los cicloconvertidores de entrada toman un voltaje de corriente alterna con cierta frecuencia y entregan o generan un voltaje igual, de corriente alterna, pero con diferente frecuencia.

Historia del tiristor

Como se comentó antes, el primer tiristor se desarrolló en la década de 1960, específicamente por la empresa General Electric. Cabe señalar, que algunos años antes William Bradford Shockley, ya había enfocado sus investigaciones sobre materiales semiconductores para desarrollar dispositivos como el SCR, trabajando para los laboratorios Bell. De hecho, William

Shockley, junto con otros investigadores, obtuvieron el premio Nobel de Física en 1956 por sus trabajos sobre materiales semiconductores.

Oficialmente, Robert N. Hall, Bill Gutzwiller y Gordon Hall, trabajando para la empresa General Electric, son quienes desarrollaron el primer SCR comercial. Cabe señalar que Robert N. Hall también es un científico importante y que destacó por sus aportaciones y desarrollo de dispositivos como transistores, diodos laser, detectores de desviación de litio y el magnetron, que con algunas modificaciones, ahora es pieza clave de los hornos de microondas.

Existen diferentes tipos de tiristores siendo los más importantes el rectificador controlado de silicio (SCR), tiristor apagado por compuerta (GTO), triodo para corriente alterna (TRIAC) y diodo para corriente alterna (DIAC). Cabe señalar que existen versiones del SCR y TRIAC fotosensibles.

En la actualidad existen SCRs y TRIACs para el manejo de potencia en diferentes magnitudes. Podemos encontrar en el ámbito comercial, tanto SCRs como TRIAC que pueden conducir desde 10 amperes, hasta cientos de amperes.

Sin importar la magnitud de la potencia que manejen el principio de construcción y funcionamiento es el mismo. Cabe señalar que los que específicamente han sido diseñados para el manejo de magnitudes bajas, tanto de corriente como de voltaje son los ópticos. Como se indicará mas adelante en este artículo, sólo se utilizan para aislar etapas de circuitos electrónicos.

Principio de operación del tiristor SCR

Para comenzar esta sección mencionaré de nuevo el significado del tiristor SCR, que viene del inglés Silicon Controlled Rectifier. Es decir, rectificador controlado de silicio y su símbolo se muestra a continuación. Como se puede ver es similar al diodo, con la incursión de una tercer terminal llamada compuerta.

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Tiristor SCR

Como su nombre lo indica, literalmente trabaja como diodo en su función de rectificador, pero podemos controlar dicha función a través de la compuerta. Lo anterior significa que se puede utilizar en circuitos rectificadores. Recordemos que en estos circuitos entra un voltaje de corriente alterna y sale un voltaje de corriente contínua. Ahora, mediante la terminal de compuerta, se puede decidir o controlar que tanto de ese voltaje de corriente continua se va a utilizar, es decir, se puede seccionar.

De igual forma que el diodo debe estar en polarización directa para funcionar de la forma en que se explicó. De lo contrario, en polarización inversa actúa como circuito abierto, es decir, igual que el diodo. Una vez que se encuentre polarizado directamente, se debe aplicar un pulso de voltaje y corriente en la compuerta para encenderlo y que comience a conducir corriente. Cabe señalar que una vez que se ha encendido el SCR no es necesario mantener ese pulso de voltaje en la compuerta y puede ser retirado.

Para que el SCR se apague o deje de conducir corriente debe presentarse al menos una de las siguientes condiciones; la corriente que conduce de ánodo a cátodo deber ser cero o ser polarizado inversamente entre ánodo y cátodo. Cabe señalar que existe una variante del SCR, llamado comunmente optoSCR o fotoSCR. Es un SCR inmerso en un chip, acompañado por un fotodiodo encargado de aplicar, el pulso de compuerta en el momento que se aplica voltaje a dicho diodo.

Principio de operación del tiristor TRIAC

Otro tiristor bastante importante y popular es el TRIAC. Su símbolo se muestra en la siguiente imagen. Cuenta con dos terminales, Terminal Maestra 1 y Terminal Maestra 2, así como con una terminal de compuerta.

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Tiristor TRIAC

Internamente se puede considerar que el TRIAC está constituido por dos SCR en antiparalelo y con las compuertas en común. Es decir, el ánodo de un SCR se une al cátodo del otro SCR y a esa unión le llamamos Terminal Maestra 1. Asimismo, la Terminal Maestra 2 será la conexión del cátodo del primer diodo con el ánodo del segundo SCR. Finalmente, la terminal de compuerta del TRIAC es resultado de la unión de las dos terminales de compuerta de cada SCR.

Su funcionamiento es similar al del SCR, con la gran diferencia de que el SCR es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. Es decir, el SCR, de forma similar al diodo, sólo permite el flujo de corriente en un sentido, de ánodo a cátodo. En cambio, el TRIAC permite conducir corriente de MT1 a MT2 o de MT1 a MT2. No importa su polarización, lo que activa o enciende al TRIAC para que comience a conducir es un pulso de voltaje en la compuerta.

Una vez que ha sido encendido el TRIAC, se puede retirar el pulso o voltaje de compuerta, de igual forma que sucede con el SCR. De forma particular, el TRIAC se utiliza para el control de potencia en corriente alterna. Es decir, se usa en circuitos donde entra un voltaje de ca y sale, de igual forma, un voltaje de ca pero seccionado.

Aplicaciones de los tiristores

Como ya comenté antes, principalmente se utilizan los tiristores para el control de potencia. Es decir, administrar la cantidad de voltaje que recibirá en promedio una carga. Al controlar la magnitud promedio del voltaje, automáticamente se está controlando corriente y por ende, potencia. Al hablar de carga se refiere al componente o equipo que consumirá esa potencia y puede ser, por ejemplo, un motor de cd, motor de ca, resistencia para calentamiento, etc.

Sobre el SCR

Un circuito típico para el control de potencia mediante un SCR es como el que se muestra a continuación. Se puede observar que tiene una fuente de voltaje de corriente alterna con una resistencia R1 y el SCR. Cabe señalar que en este caso, R1 es la resistencia de carga, que puede ser por ejemplo un motor de corriente directa.

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Circuito SCR

También, en la imagen anterior, se deriva una rama, con las resistencia R2 y RV1, del nodo donde se une R1 con el ánodo del SCR. En particular, este arreglo de resistencias, una fija (R1) y una variable (RV1), van a permitir controlar el voltaje en R1, que consideraremos como un motor de cd. El motor debe ser de cd debido a que, como expliqué arriba, el SCR sólo conduce corriente en un sentido. Lo anterior implica que aunque se aplique al circuito un voltaje de ca, el SCR lo va a rectificar y el motor solo verá voltaje con una sola polaridad.

Para que el circuito haga su trabajo y el SCR comience a funcionar, se debe cerrar el interruptor que se encuentra conectado entre la resistencia variable RV1 y la terminal de compuerta. Enseguida, se debe ajustar el valor de RV1, de tal forma que al girar la perilla hacia un extremo, el motor estará detenido. Por lo tanto, al girar la perilla hacia el otro extremo, el motor comenzará a girar y desarrollará su máxima velocidad y potencia en el instante que la perilla alcance el tope.

Cabe señalar que si se requiere que al energizar el circuito, el motor se encuentre girando a una velocidad baja. Es decir, queremos que al encender el circuito no este detenido. Se debe calcular el valor de R2 y para tal operación es necesario consultar bibliografía especializada.

Sobre el TRIAC

La siguiente imagen muestra un circuito básico de aplicación. Podemos observar que es similar al del SCR. Es decir, tiene como entrada voltaje de corriente alterna y como ejemplo de carga, un foco incandescente en serie con el TRIAC. Es posible observar que también tiene un interruptor entre la terminal maestra 1 del TRIAC y una resistencia que se conecta a la compuerta.

TRIAC
Circuito TRIAC

El circuito anterior tiene el siguiente funcionamiento. Como se mencionó anteriormente, el TRIAC permita circulación de corriente en ambos sentidos. Es decir, en todo momento, sin importar la polaridad que tenga el voltaje de entrada de ca, podrá pasar corriente por el foco.

Para que suceda esto, se debe primero cerrar el interruptor y ajustar el valor de R1. Es decir, se puede sustituir R1 por una resistencia variable o potenciómetro. Lo anterior permitirá ajustar la potencia y, por lo tanto, la luminiscencia del foco. Si se deja R1 como resistencia fija, no podrá ajustarse la capacidad de iluminación del foco y se mantendrá fijo en todo momento.

De forma comercial, dispositivos llamados dimmer cuentan con este circuito. Su aplicación es ajustar el nivel de iluminación. Cabe señalar que este circuito no podrá tener el mismo efecto con lámparas ahorradoras o LED.

Esto es debido a que este tipo de luminarias tienen integrados circuitos de potencia para su funcionamiento. Si se ajusta la potencia que llega a estos circuitos no operaran adecuadamente o hasta pueden dañarse.

También es importante comentar que este circuito que se explicó no sirve únicamente para focos. Se puede colocar como carga un motor de corriente alterna o resistencia utilizada para calentar. Por lo tanto, al ajustar el valor de R1 se estaría variando la velocidad y potencia del motor o temperatura, para el caso de la resistencia.

Conclusiones sobre tiristores

Es esta publicación has aprendido que son los tiristores, su historia de desarrollo y los tipos que existen. También te expliqué un circuito básico de aplicación para el SCR y otro de aplicación básica del TRIAC.

Asimismo, te expliqué el principio de funcionamiento del SCR, recalcando en que se puede considerar como un diodo. Debido a que el SCR sólo conduce corriente en un sentido, pero con la diferencia de que el diodo conduce en el momento que se aplica un voltaje en su terminal de compuerta.

Para el caso del TRIAC te expliqué que es un dispositivo bidireccional. Es decir, conduce corriente en ambos sentidos y que, al igual que el SCR, se activa al aplicar voltaje en su terminal de compuerta. Cabe señalar que tanto para el SCR como para el TRIAC, una vez que ha comenzado a conducir corriente se puede retirar el voltaje de compuerta que los activó.

En ambos casos, TRIAC y SCR se utilizan para controlar potencia. El SCR se utilizará en circuitos que controlan la potencia en cargas de corriente directa. Por otro lado, el TRIAC tiene aplicación en circuitos de control de potencia de corriente alterna.

Sobre el Autor

Luis Antonio Mier Quiroga

Académico desde hace 15 años, enseñando materias relacionadas a electrónica, automatización y control. Ha dirigido, realizado y colaborado en proyectos de investigación y desarrollo tecnológico y es autor de publicaciones en revistas especializadas.