PRÁCTICA 1: MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL TIRISTOR

OBJETIVO

Comprobar experimentalmente los principales parámetros del SCR.

MARCO TEÓRICO

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones

PN. Tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. La figura 1 muestra el símbolo y el modelo

cristalino del tiristor.

Figura 1. Símbolo del tiristor y tres uniones PN.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen

polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña

corriente de fuga llamada corriente de estado inactivo ID. Se dice entonces que el tiristor está en

condición de bloqueo directo en estado desactivado. Si el voltaje de ánodo a cátodo VAK se

incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrará en

ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje

de ruptura directa VB0. Dado que las uniones J1 y J3 tienen ya polarización directa, habrá un

movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocará una gran corriente

directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. La

caída de voltaje se deberá a la resistencia óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo

común cercana a 1 volt.

La corriente del ánodo deberá ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a

fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión J2; de lo contrario,

al reducirse el voltaje del ánodo a cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La

corriente de enganche, es la corriente de ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en

estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal

de la compuerta.

Una vez que el tiristor está activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control

sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de

agotamiento debida a movimientos libres de portadores. Sin embargo, si se reduce la corriente

directa del ánodo por debajo del nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, se genera

una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al número reducido de portadores; el

tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los

miliamperios y menor que la corriente de enganche. La corriente de mantenimiento es la corriente

de ánodo mínima para mantener al tiristor en estado de régimen permanente.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J2 tiene polarización

directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos

conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo

inverso y una corriente de fuga, conocida como corriente de fuga inversa IR fluirá a través del

dispositivo.

Un tiristor se puede activar aumentado el voltaje directo de ánodo a cátodo más allá de VB0, pero

esta forma de activarlo puede ser destructiva. En la práctica, el voltaje directo se mantiene por

debajo de este valor, y el tiristor se activa mediante la aplicación de un voltaje positivo entre la

compuerta y el cátodo. Lo anterior puede entenderse mejor cuando se observa la gráfica de la

curva característica del tiristor, que se muestra en la figura 2.

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Figura 2. Curva característica del tiristor.

MATERIALES Y EQUIPOS

1 SCR C106D

1 Potenciómetro de 100KΩ

1 Resistencia de 2KΩ ½ W

4 Resistencias de 100kΩ ½ W

1 Resistencia de 220Ω ½ W

1 Fuente de alimentación de 12 VCD

1 Micro amperímetro

1 Interruptor (Pulsador)

1 Diodo LED

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

En esta práctica se determinará el valor real medido de las corrientes de enganche y de

mantenimiento en un tiristor comercial, así como el valor de la corriente mínima de compuerta

necesaria para activar al dispositivo.

Medición de la corriente mínima de compuerta.

Para la medición de la corriente mínima de compuerta, se utilizará el circuito que se dibuja en la

figura 3. Para el cálculo de los componentes se tomará como referencia al manual del fabricante, el

cual proporciona los siguientes valores:

Parámetro Símbolo Mín Typ Máx Unidad

Corriente de disparo por compuerta IGT --- 30 200 µA

Corriente de mantenimiento IHX 0.3 --- 3 mA

Corriente de conducción (RMS) IT(RMS) --- --- 4 A

De acuerdo con la tabla anterior, se propone que por el tiristor circule una corriente de ánodo, por

lo menos 10 veces mayor a la corriente de mantenimiento, para no tener problemas con el

enganche y cebado del tiristor. De esta forma, se adopta una corriente de ánodo circulante por RL

y T1 de 50mA. Lo que arroja un valor de RL, correspondiente a los 12VCD que aplicamos, de:

, por lo que aproximamos RL a 220 ohms.

En cuanto a las R’s 2,3 y 4, y al trimpot R1, se considera que la corriente mínima es de 30µA, por

lo que la resistencia de compuerta máxima estaría dada teóricamente por:

, lo que justifica que este sea el valor serie de esos elementos.

El micro amperímetro µAmp, se conecta en serie con la compuerta, y se desprecia la impedancia

del instrumento. Para mejor visualización del momento de conducción del SCR, se conecta un

diodo LED en serie con RL y en polarización directa. El LED iluminará en el momento que se active

la compuerta.

.

Figura 3. Circuito para la medición de la corriente de compuerta.

Para poder medir el valor real de la corriente de compuerta, se ajusta el potenciómetro R1 a su

máximo valor, se enciende la fuente y se verifica que no exista flujo de corriente en ánodo-cátodo

(LED apagado), en tanto en µAmp fluyan aproximadamente 30µA.

Una vez hecho esto, R1 se disminuye lentamente de valor hasta que el tiristor conduce

(comprobándose mediante el encendido del LED). Este valor de corriente circulante en la

compuerta debe medirse (µAmp). La resistencia en el arreglo serie también debe medirse.

Medición de la corriente de mantenimiento

Para este propósito se ocupará el circuito de la figura 4. Se utiliza una resistencia de compuerta de

200k, que fija a la corriente de compuerta en 60µA, que es mayor a IGTmín y menor a IGTmáx, lo que

asegura el disparo por compuerta.

Para el cálculo de R1 (fija) y R2 (potenciómetro), que sumados son RL, se utiliza el siguiente

procedimiento: primero se supone que la corriente de ánodo es igual a IH mínima dada por el

fabricante, por lo que:

En tanto que para IH máxima, tenemos que el valor correspondiente de la resistencia de carga es:

Todo esto significa que el valor de la resistencia de carga deberá estar entre 4 y 40 kohms para

asegurarnos que la corriente de ánodo estará dentro de los valores esperados para la corriente de

mantenimiento.

Para asegurar que la corriente de ánodo no sea muy grande, por si acaso necesitamos reducir

mucho el valor del trimpot, aseguramos que R1 sea de 2 kohms, lo que sugiere que R2 podrá

variar libremente desde su mínimo valor.

Figura 4. Circuito para medir la corriente de mantenimiento

Para medir la corriente de mantenimiento, se fija R2 a su mínimo valor, para asegurar que la

corriente anódica sea mayor a la máxima corriente de mantenimiento dada por el fabricante, y se

dispara el tiristor cerrando momentáneamente el interruptor mostrado en la figura 4; se observa

que el tiristor cambió a conducción y se mantuvo en ese estado.

En estas condiciones, el tiristor está “cebado”. Poco a poco se debe aumentar el valor de R2,

reduciendo por tanto la corriente de ánodo. El tiristor debe dejar de conducir cuando la corriente en

µAmp sea ligeramente inferior a la de mantenimiento. Debe tomarse esa medida de corriente.

Medición de la corriente de enganche.

A partir del circuito de la figura 4, mantenemos el interruptor cerrado, y reducimos ligeramente el

valor del potenciómetro R2, abriendo de vez en cuando el interruptor. El valor de la corriente de

enganche es aquel que, una vez que se ha abierto el interruptor, es decir, que se retire el pulso de

compuerta, el tiristor no regresa al estado de bloqueo.