SEMICONDUCTORES ESPECIALES, EL TIRISTOR

Introducción a los semiconductores especiales

El enorme desarrollo y la abundante investigación que ha recaído sobre los semiconductores en general son causa de la aparición constante de nuevos componentes que amplían su gama de aplicaciones.

En esta serie de publicaciones se explican cuatro elementos de gran importancia: el tiristor, el triac, el transistor uniunión y el diac, que, aunque todos se basan en la combinación de semiconductores extrínsecos, tienen misiones muy diferentes. Así, el tiristor y el triac sirven para controlar la potencia, de corriente rectificada en el primer caso y alterna en el segundo, que se suministra a una carga, actuando a manera de interruptores que cortan o permiten el paso de la corriente. Los impulsos que precisan el tiristor y el triac para poderse colocar en estado de conducción y bloqueo se generan mediante unos circuitos muy simples que utilizan otros dos nuevos componentes: el transistor uniunión y el diac.

El tiristor

Está compuesto por cuatro capas alternas de semiconductores N y P, recibiendo el nombre de cátodo y ánodo las capas N y P de los extremos, respectivamente, mientras que la zona P interna, que también es un electrodo con conexión al exterior, se llama puerta». La figura siguiente muestra la estructura interna y el símbolo del tiristor.

Estructura interna y símbolo del tiristor

Su funcionamiento se comprende mejor asimilándolo a un conjunto de dos transistores acoplados entre sí, de forma que el colector de cada uno esté unido a la base del otro, como se muestra en esta otra figura.

Funcionamiento del tiristor como dos transistores acoplados

El acoplo entre los dos transistores que integran al tiristor produce una realimentación positiva, puesto que la corriente de salida de cada uno es la de entrada del otro, y si ambos semiconductores disponen de una ganancia de corriente superior a la unidad, rápidamente cada transistor llevará al otro a la saturación, produciéndose una corriente máxima cuyo valor no estará controlado por el tiristor, sino por la carga exterior que alimenta. El cebado del tiristor o la saturación de los transistores que lo forman se consigue cuando se vence la polarización inversa de la unión N-P interna, para lo que es preciso aplicar un impulso adecuado, y en este caso positivo, a la zona P desde el exterior y a través de la «puerta», como se ha dibujado en la figura siguiente.

Funcionamiento tiristor

Cuando el impulso positivo aplicado a la puerta del tiristor satura los dos transistores que contiene, este semiconductor se comporta prácticamente como un interruptor cerrado, absorbiendo únicamente entre su cátodo y su ánodo una pequeña tensión, que oscila alrededor de 1 V, la cual mantiene en saturación los transistores. 

En la figura siguiente se presenta un circuito que controla una carga de 100 ohmios y que si se supone ya cebado y con una tensión de mantenimiento o «de arco» entre sus extremos de 1 V, como se dispone de una alimentación general de 101 V, lo que no absorbe el tiristor queda en la carga y la intensidad que circula por el circuito se obtiene aplicando la ley de Ohm:

I = V / R = 100 / 100 = 1 A.

Ejemplo práctico tiristor

Si en el ejemplo de la figura anterior la carga fuera de 10 ohmios, I=.V / R = 100 / 10 = 10 A; y si fuese de 1 ohmio, I = 100 A, lo que quiere decir que el tiristor una vez cebado se limita a absorber una pequeña tensión, que mantiene el estado de conducción, y el resto se aplica a la carga, cuyo valor determina el de la corriente que pasa por el circuito.

Para cebar un tiristor hay que aplicar a su puerta el impulso adecuado, pero una vez cebado la puerta pierda el gobierno del elemento y desde ella ya no se puede descebar. El único procedimiento que existe para bloquear un tiristor que conduce es rebajarle la tensión entre cátodo y ánodo un valor inferior a la tensión de arco o mantenimiento, que ya se ha dicho suele ser de 1 V.

Esto exige que la alimentación general disminuya hasta casi anularse o se abra el circuito.

El tiristor sólo conduce intensidad electrónica de cátodo a ánodo, o sea, en un sentido. Por tanto, si se le aplica c.a. la rectifica, dejando pasar únicamente los semiciclos positivos y no completos, sino sólo desde el momento que llega el impulso de disparo a su puerta. En la figura siguiente se presenta un circuito alimentado por c.a. en el que el tiristor que controla el paso de corriente por la carga recibe los impulsos de disparo justo en la mitad de los semiciclos, habiéndose dibujado a la derecha de la figura las ondas en los diferentes componentes.

Circuito tiristor alimentado con c.a.

De la potencia máxima que el tiristor puede entregar a la carga, que sería si condujese durante todo el semiciclo positivo, en el ejemplo de la figura anterior sólo se permite el paso de un 50%, puesto que la llegada de los impulsos de disparo se produce en el centro del semiciclo. Si el impulso de disparo se aplicase a la puerta pasado sólo el 25 % del semiciclo, conduciría el 75 % restante, elevándose la potencia suministrada a la carga. De este ejemplo se puede deducir que el tiristor no sólo actúa como interruptor, sino que también es capaz de gobernar la potencia que se aplica a la carga, mediante la regulación de los impulsos precisos en su puerta. El descebado del tiristor se produce automáticamente al final del semiciclo positivo cuando éste tiene una tensión inferior a la de mantenimiento, o sea, prácticamente cuando comienza el nuevo semiciclo.

La producción de los impulsos de cebado se logra de forma muy sencilla y precisa con los semiconductores que para este fin se han desarrollado, y que se explican en esta serie de publicaciones que hemos comenzado con este post.

La tensión de disparo o encendido del tiristor se regula con el valor de la corriente que circula por la puerta.

Escrito por Archie Tecnology

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