Un rectificador controlado por silicio (SCR) es un dispositivo semiconductor de potencia clave ampliamente utilizado para controlar alto voltaje y corriente en sistemas eléctricos e industriales. Su capacidad para conmutar y regular la potencia de manera eficiente lo hace útil en convertidores, accionamientos de motor y circuitos de automatización. Este artículo explica la construcción SCR, el principio de funcionamiento, las características, los tipos y las aplicaciones prácticas de una manera clara y estructurada.
¿Qué es un rectificador controlado por silicio (SCR)?
Un rectificador controlado por silicio (SCR) es un dispositivo semiconductor de potencia de tres terminales que se utiliza para controlar y conmutar alto voltaje y corriente en circuitos eléctricos. Es un miembro de la familia de los tiristores y tiene una estructura PNPN de cuatro capas. A diferencia de un diodo simple, un SCR permite la conmutación controlada porque se enciende solo cuando se aplica una señal de activación de puerta. Es ampliamente utilizado en convertidores de CA / CC, accionamientos de motor, cargadores de baterías y automatización industrial debido a su alta capacidad y eficiencia de manejo de energía.
Construcción y símbolo de SCR
Un rectificador controlado por silicio (SCR) se construye utilizando cuatro capas alternas de materiales semiconductores de tipo P y tipo N, formando una estructura PNPN con tres uniones: J1, J2 y J3. Cuenta con tres terminales:
• Ánodo (A): Conectado a la capa P exterior
• Cátodo (K): Conectado a la capa N exterior
• Puerta (G): Conectada a la capa P interna y utilizada para disparar
Internamente, un SCR se puede modelar como dos transistores interconectados, uno PNP y otro NPN, formando un bucle de retroalimentación regenerativa. Esta estructura interna explica el comportamiento de enclavamiento del SCR, donde continúa conduciendo incluso después de que se retira la señal de puerta.
El símbolo SCR se asemeja a un diodo pero incluye un terminal de puerta para el control. La corriente fluye del ánodo al cátodo cuando el dispositivo se activa a través de la puerta.
Funcionamiento de SCR
El SCR funciona en tres estados eléctricos basados en el voltaje del ánodo-cátodo y la señal de puerta:
Modo de bloqueo inverso
Cuando el ánodo se hace negativo en relación con el cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Solo fluye una pequeña corriente de fuga. Exceder el límite de voltaje inverso puede dañar el dispositivo.
Modo de bloqueo hacia adelante (estado OFF)
Con el ánodo positivo y el cátodo negativo, las uniones J1 y J3 tienen polarización hacia adelante, mientras que J2 tiene polarización inversa. El SCR permanece APAGADO en este estado aunque se aplique voltaje directo, lo que impide el flujo de corriente hasta que se proporciona un disparo.
Modo de conducción directa (estado ON)
La aplicación de un pulso de puerta en polarización directa inyecta portadoras que la unión de polarización directa J2, lo que permite la conducción. Una vez encendido, el SCR se engancha y continúa conduciendo incluso después de que se elimina la señal de la puerta, siempre que la corriente permanezca por encima de la corriente de retención.
Características V-I de SCR
La característica V-I define cómo responde la corriente del dispositivo al voltaje aplicado en diferentes regiones operativas:
• Región de bloqueo inverso: la corriente mínima fluye bajo polarización inversa hasta que se produce la avería.
• Región de bloqueo directo: el voltaje directo aumenta pero la corriente permanece baja hasta que se alcanza el voltaje de ruptura directo (VBO).
• Región de conducción directa: después de activarse mediante un pulso de puerta, el SCR pasa rápidamente a un estado ON de baja resistencia con una pequeña caída de voltaje directo (1-2V).
El aumento de la corriente de la puerta reduce el voltaje de ruptura directa, lo que permite un encendido más temprano. Esto es útil en circuitos de CA controlados por fase.
Características de conmutación de SCR
Las características de conmutación describen el comportamiento del SCR durante las transiciones entre los estados OFF y ON:
• Tiempo de encendido (tonelada): Tiempo requerido para que el SCR cambie completamente de APAGADO a ENCENDIDO después de un pulso de puerta. Consiste en tiempo de retardo, tiempo de subida y tiempo de propagación. Un encendido más rápido garantiza una conmutación eficiente en convertidores e inversores.
• Tiempo de apagado (tq): Después de que se detiene la conducción, el SCR necesita tiempo para recuperar su capacidad de bloqueo hacia adelante debido a los portadores de carga almacenados. Este retraso tiene demanda en aplicaciones de alta frecuencia, y se requieren circuitos de conmutación externos en los sistemas de CC.
Tipos de SCR
Los SCR están disponibles en diferentes estilos de construcción y clases de rendimiento para cumplir con los requisitos de diversas aplicaciones de voltaje, corriente y conmutación. A continuación se explican los principales tipos de SCR sin usar un formato de tabla, como se solicita.
SCR de plástico discreto
Este es un SCR pequeño y de baja potencia generalmente empaquetado en carcasas TO-92, TO-126 o TO-220. Es económico y se usa comúnmente en circuitos electrónicos de baja corriente. Estos SCR son ideales para conmutación de CA simple, sistemas de control de baja potencia, atenuadores de luz y circuitos de cargador de batería.
Módulo de plástico SCR
Este tipo está diseñado para el manejo de corriente media a alta. Está encerrado en un módulo de plástico compacto que proporciona aislamiento eléctrico y fácil montaje. Estos SCR se utilizan ampliamente en sistemas UPS, unidades de control de potencia industrial, máquinas de soldar y controladores de velocidad de motores.
Paquete de prensa SCR
Los SCR de paquete de prensa son dispositivos de alta resistencia construidos en un paquete robusto similar a un disco de metal. Ofrecen un excelente rendimiento térmico y una alta capacidad de corriente y no requieren soldadura. En cambio, se sujetan entre disipadores de calor bajo presión, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta confiabilidad, como accionamientos industriales, sistemas de tracción, transmisión de energía HVDC y redes eléctricas.
SCR de conmutación rápida
Los SCR de conmutación rápida, también llamados SCR de grado inversor, están diseñados para circuitos que operan a frecuencias más altas. Tienen un tiempo de apagado corto y pérdidas de conmutación reducidas en comparación con los SCR estándar. Estos dispositivos se utilizan comúnmente en helicópteros, convertidores CC-CC, inversores de alta frecuencia y fuentes de alimentación de pulsos.
Métodos de encendido de SCR
Las diferentes formas de desencadenar una SCR en la conducción incluyen:
Activación de la puerta (más común): Un pulso de puerta de baja potencia enciende el SCR de manera controlada. Se utiliza en la mayoría de las aplicaciones industriales.
Activación de voltaje directo: si el voltaje directo excede el voltaje de ruptura, el SCR se enciende sin un pulso de puerta, generalmente evitado debido al estrés en el dispositivo.
Activación térmica (no deseada): el exceso de temperatura puede iniciar involuntariamente la conducción; Se debe evitar un enfriamiento inadecuado.
Disparo de luz (LASCR): Los SCR sensibles a la luz utilizan fotones para activar la conducción en aplicaciones de aislamiento de alto voltaje.
Activación de dv / dt (no deseada): Un aumento rápido en el voltaje directo puede causar un encendido accidental debido a la capacitancia de la unión. Los circuitos amortiguadores evitan esto.
Ventajas y limitaciones de la SCR
Ventajas de la RCS
• Manejo de alta potencia y voltaje: los SCR son capaces de controlar grandes cantidades de energía, a menudo en el rango de cientos a miles de voltios y amperios, lo que los hace adecuados para aplicaciones industriales pesadas como accionamientos de motor, transmisión HVDC y convertidores de potencia.
• Alta eficiencia y bajas pérdidas de conducción: una vez encendido, el SCR conduce con una caída de voltaje muy pequeña (generalmente de 1 a 2 voltios), lo que resulta en una baja disipación de energía y una alta eficiencia operativa.
• Requisito de corriente de puerta pequeña: el dispositivo solo necesita una pequeña corriente de activación en el terminal de la puerta para encenderse, lo que permite que un circuito de control simple de baja potencia conmute cargas de alta potencia.
• Construcción robusta y diseño rentable: los SCR son mecánicamente robustos, térmicamente estables y están diseñados para soportar altas corrientes de sobretensión. Su estructura interna simple también los hace relativamente económicos en comparación con otros interruptores semiconductores de potencia.
• Adecuado para el control de alimentación de CA: Debido a que los SCR se apagan naturalmente cuando la corriente de CA cruza cero (conmutación natural), son ideales para aplicaciones de control de fase de CA, como atenuadores de luz, controladores de calentadores y reguladores de voltaje de CA.
Limitaciones de la SCR
• Conducción unidireccional: Un SCR conduce la corriente solo en la dirección de avance. No puede bloquear la corriente inversa de manera efectiva a menos que se use con componentes adicionales como diodos, lo que limita su uso en algunos circuitos de control de CA.
• No se puede apagar usando el terminal de la puerta: Si bien el SCR se puede activar a través de la puerta, no responde a ninguna señal de puerta para apagarlo. La corriente debe caer por debajo de la corriente de retención o se debe usar una técnica de conmutación forzada en los circuitos de CC.
• Requiere circuitos de conmutación en aplicaciones de CC: En circuitos de CC puros, el SCR no obtiene un punto cero de corriente natural para apagarse. Se necesitan circuitos de conmutación externos, lo que aumenta la complejidad y el costo del circuito.
• Velocidad de conmutación limitada: los SCR son relativamente lentos en comparación con los interruptores de semiconductores modernos como MOSFET o IGBT. Esto los hace inadecuados para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia.
• Sensible a condiciones de alto dv / dt y sobretensión: un aumento rápido de voltaje a través del SCR o un voltaje transitorio excesivo pueden desencadenar un falso encendido, lo que afecta la confiabilidad. Se requieren circuitos amortiguadores y componentes de protección adecuados para evitar fallas de encendido y fallas en el dispositivo.
Aplicaciones de SCR
• Rectificadores controlados (convertidores de CA a CC): se utilizan en la carga de baterías y suministros de CC variables.
• Controladores de voltaje de CA: atenuadores de luz, controles de velocidad del ventilador y reguladores de calentadores.
• Control de velocidad del motor de CC: se utiliza en variadores de CC de velocidad variable.
• Inversores y convertidores: para la conversión de energía de CC a CA.
• Protección contra sobretensiones (circuitos de palanca): protege las fuentes de alimentación de las sobretensiones.
• Interruptores estáticos / relés de estado sólido: conmutación rápida sin desgaste mecánico.
• Reguladores de potencia: se utilizan en calentamiento por inducción y hornos industriales.
• Arrancadores suaves para motores: controla la corriente de entrada durante el arranque del motor.
• Sistemas de transmisión de energía: se utilizan en sistemas HVDC (corriente continua de alto voltaje).
Comparación SCR vs GTO
Un tiristor de apagado de puerta (GTO) es otro miembro de la familia de los tiristores y, a menudo, se compara con los SCR.
| Parámetro | SCR (rectificador controlado por silicio) | GTO (tiristor de desconexión de puerta) |
|---|---|---|
| Control de apagado | Requiere conmutación externa | Se puede apagar mediante la señal de la puerta |
| Corriente de puerta | Se requiere un pulso pequeño | Requiere alta corriente de puerta |
| Cambio | Solo encendido de la puerta | Encendido y apagado de la puerta |
| Velocidad de conmutación | Moderado | Más rápido |
| Manejo de potencia | Muy alto | Alto |
| Costo | Bajo | Caro |
| Aplicación | Rectificadores controlados, controladores de CA | Inversores, picadores, variadores de alta frecuencia |
Prueba de SCR con ohmímetro
Antes de instalar un SCR en un circuito de alimentación, es importante verificar que esté eléctricamente sano. Un SCR defectuoso puede causar cortocircuitos o fallas en todo el sistema. Las pruebas básicas se pueden realizar utilizando un multímetro digital o analógico junto con un pequeño suministro de CC para activar la verificación.
1 Prueba de unión de puerta a cátodo
Estos comprueban si la unión de la puerta se comporta como un diodo.
• Configure el multímetro en modo de prueba de diodo
• Conecte la sonda positiva (+) a la puerta (G) y la sonda negativa (–) al cátodo (K). Una lectura normal muestra una caída de voltaje directo entre 0,5 V y 0,7 V
• Invierta las sondas (+ a K, – a G). El medidor debe mostrar OL (circuito abierto) o resistencia muy alta
Prueba de bloqueo de ánodo a cátodo
Esto asegura que el SCR no se cortocircuite internamente.
• Mantenga el multímetro en modo diodo o modo de resistencia
• Conecte + sonda al ánodo (A) y – sonda al cátodo (K). El SCR debe bloquear la corriente y mostrar un circuito abierto (sin conducción)
• Invierta las sondas (+ a K, – a A). La lectura aún debe ser un circuito abierto
Prueba de activación (enclavamiento) de SCR
Esto confirma si el SCR puede encenderse y engancharse correctamente.
• Utilice una batería de 6 V o 9 V con una resistencia de 1 kΩ en serie
• Conecte la batería + al ánodo (A) y la batería – al cátodo (K)
• Conecte brevemente la puerta (G) al ánodo a través de una resistencia de 100-220 Ω. El SCR debe encenderse y bloquearse, permitiendo que la corriente fluya incluso después de quitar la conexión de la puerta.
• Para apagarlo, desconecte la alimentación: el SCR se desbloqueará
Conclusión
El rectificador controlado por silicio sigue siendo un componente clave en los sistemas de control de potencia debido a su eficiencia, alta confiabilidad y capacidad para manejar grandes cargas eléctricas. Desde la regulación de voltaje de CA hasta el control de motores de CC y los sistemas de conversión industrial, los SCR continúan desempeñando un papel vital en la ingeniería eléctrica. Una sólida comprensión de los conceptos básicos de SCR ayuda a diseñar circuitos electrónicos de potencia seguros y eficientes.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Cuál es la diferencia entre SCR y TRIAC?
Un TRIAC puede conducir corriente en ambas direcciones y se utiliza en aplicaciones de control de CA como atenuadores y reguladores de ventiladores. Un SCR conduce la corriente solo en una dirección y se utiliza principalmente para el control o la rectificación de CC.
¿Por qué un SCR necesita un circuito de conmutación?
En los circuitos de CC, un SCR no puede apagarse usando solo el terminal de la puerta. Un circuito de conmutación obliga a la corriente a caer por debajo de la corriente de retención, lo que ayuda a que el SCR se apague de manera segura.
¿Qué causa que falle un SCR?
La falla de SCR generalmente es causada por sobretensión, alta corriente de sobretensión, disipación de calor inadecuada o conmutación falsa activada por dv / dt. El uso de circuitos amortiguadores y disipadores de calor ayuda a prevenir fallas.
¿Puede un SCR controlar la alimentación de CA?
Sí, los SCR pueden controlar la alimentación de CA mediante el control de ángulo de fase. Al retrasar el ángulo de disparo de la señal de la puerta durante cada ciclo de CA, se puede ajustar el voltaje de salida y la potencia entregada a la carga.
¿Cuál es la corriente de retención en un SCR?
La corriente de retención es la corriente mínima requerida para mantener el SCR en el estado ON. Si la corriente cae por debajo de este nivel, el SCR se apaga automáticamente incluso si se activó previamente.