DISPOSITIVOS DE 4 CAPAS

TIRISTORES

Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para

controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia.

La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la función que

efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Así

como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio

sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción.

Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este tutorial los tipos más significativos: Diodo

Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled

Switch), Diac y Triac.

1 EL DIODO SHOCKLEY

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 un 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 (IH).

Figura 1: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley

Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar una tensión positiva entre ánodo y cátodo se

puede observar que la unión J1 y J3 esta polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa. En

estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra

cortado. Aumentando la tensión positiva se llega a una tensión Vb0 donde la corriente crece en forma

abrupta y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado

desde el estado de bloqueo a conducción.

Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en separar su estructura

física en dos mitades (Figura 2a). La mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha un PNP,

resultando el circuito mostrado en la Figura 2b.

Figura 2 : a) Estructura equivalente. b) Modelo de conducción.

CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD

Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, sólo habrá una corriente muy pequeña

hasta que se alcance la tensión de ruptura (VRB).

Característica I-V del diodo Shockley

La característica corriente-tensión de un diodo pnpn se muestra en las siguientes figuras. Aparecen cinco

regiones bien diferenciadas:

Región 0-a: el dispositivo está en su región de alta impedancia o estado de bloqueo directo.

Comprende toda la región 0-a hasta el punto llamado de encendido con tensión Vb0 y

corriente Is de saturación, a partir del cual cambia de estado.

Región a-b: el dispositivo manifiesta un comportamiento de resistencia negativa, es decir,

la corriente aumenta al disminuir la tensión.

Región b-c: el dispositivo está en su zona de conducción o de baja impedancia. Se define

el punto (Vh, Ih) como tensión y corriente de mantenimiento.

Región 0-d: el dispositivo está en su estado de bloqueo inverso.

Región d-e: el dispositivo está en su región de ruptura.

En polarización positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensión VB0. Una

vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión disminuye hasta menos de un voltio y

la corriente que pasa es limitada, en la práctica, por los componentes externos. La conducción continuará

hasta que de algún modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento IH.

La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene un límite impuesto por el

propio componente (IMAX), que si se supera llevará a la destrucción del mismo. Por esta razón, será

necesario diseñar el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor

de corriente. Otro parámetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es VRB, ya que

provocaría un fenómeno de avalancha similar al de un diodo convencional.

Respecto al transistor pnp con ganancia en corriente α1 se puede escribir:

IB1 = IE1 - IC1 , donde IC1 = α1IE1 + IC01

Reemplazando IC1 en IB1 se obtiene:

IB1= IE1(1-α1) - IC01

Con respecto al transistor npn, de ganancia en corriente α2 se puede escribir para su corriente de

colector:

IC2 = α2IE2 + IC02 , donde IC01 e IC02 son pequeñas corrientes de saturación inversa en los respectivos

colectores cuando se esta en corte.

Obsérvese que la corriente de base del transistor pnp es suministrada por el colector del transistor npn.

Igualando IB1 a IC2, se obtiene:

IE1(1-α1) - IC01 = α2IE2 + IC02 ; donde IE1 = IE2 = I

Entonces I(1-α1) - IC01 = α2I + IC02

Las ganancias en corriente aumentan con la corriente I. Para bajo nivel de corriente I ambas ganancias

α1 y α2 son mucho menores que la unidad y la corriente I sólo está formada por las pequeñas corrientes de

pérdidas IC01 e IC02. Tal y como la tensión aplicada aumenta lo hará I y las ganancias α1 y α2. Habrá un

momento en el cual (α1 + α2) se aproxime a la unidad haciendo aumentar I bruscamente, es el momento

en que el dispositivo está en estado de conducción.

EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSION

En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de conducción de 10 V. Por

tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir, de 9 V, el diodo está abierto, no circula corriente por

él y la lámpara estará apagada. Pero si la tensión de la fuente supera, por una falla en su funcionamiento

una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación y la lámpara se enciende. Permanecerá encendida (y el

diodo cerrado) aunque la tensión vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido una falla. La

única forma de apagar la lámpara sería desconectar la alimentación.

Detector de sobretensión

PRACTICA 7 Observar funcionamiento del DIAC, y tomar el voltaje de salida Vo, variando Vcc, que corriente es necesaria para el ruptura del DIAC y cual es la corriente mínima que permite pasar.

El DIAC entra en funcionamiento cuando (en esta practica) cuando llega a un voltaje de ruptura VRuP=32.7V, una ves que se a “roto”, en la salida podemos apreciar un voltaje de Vo=2.96V, una ves que se varia hacia menor voltaje, se puede llegar a tener en Vo=200mV como mínimo, después en Vo no hay voltaje presente, una ves que baja de este voltaje. La corriente obtenida en esta practica es en la corriente de ruptura un valor de IROP=8.71mA, y una ves que se activo y va en descenso el voltaje, la corriente mínima obtenida es IMIN=2.3mA