Este artículo forma parte de nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia. En él abordamos los principales cuidados que deben ser tomados en el uso de SCRs, Triacs y otros tiristores de potencia.
Cómo utilizar correctamente los Tiristores
Los Triacs, los SCRs y otros dispositivos de potencia en la familia de los Tiristores son bastante robustos para soportar varios tipos de sobrecargas e incluso transitorios, pero hay un límite para eso.
Si no se utilizan correctamente, incluso las pequeñas cosas que ocurren en un circuito pueden tener serias consecuencias.
Seguiremos varias sugerencias para utilizar estos componentes correctamente en aplicaciones que impliquen el control de potencias elevadas.
Los SCRs son componentes que conducen la corriente en una dirección, presentando una curva característica como se muestra en la figura 1 y que ya hemos estudiado en el elemento anterior.
Recordamos que el SCR está distendido cuando la compuerta (g) se vuelve positiva con relación al cátodo, causando así la circulación de una corriente por este electrodo.
Cuando la tensión en el cátodo alcanza el valor Vgt, la corriente se mantiene hasta un valor umbral llamado Igt para un intervalo de tiempo muy corto, conocido como el tiempo controlado por ligamentos de la compuerta.
En el disparo
Cuando la corriente de carga alcanza el valor de la corriente de bloqueo (latching = IL), el SCR puede seguir conduciendo incluso después de que se retira la tensión de disparo. El SCR se bloqueará en el estado de on.
En los manuales de los SCRs, Vgt, Igt e IL se especifican para una temperatura ambiente de 25 º C. estos parámetros aumentan con bajas temperaturas, lo que significa que el circuito de disparo debe tener en cuenta estos factores, compensarlos
Para utilizar correctamente un SCR, teniendo en cuenta este hecho, tenga en cuenta que:
Para conectar un SCR (y también un Triac), la corriente IGT - Lock debe aplicarse durante un tiempo suficiente para que la corriente IL alcance el valor IL. Esta condición debe ocurrir a lo largo del rango de temperatura del dispositivo en la aplicación
Los SCRs muy sensibles como BT150, C106, MCR106 y otros pueden tender a disparar a través de la corriente de fuga entre el ánodo y el cátodo, principalmente a temperaturas más altas, o cuando son alimentados por tensiones más altas.
Para evitar que esto ocurra, se puede adoptar una de las siguientes soluciones:
Mantener el Tiristor a la temperatura adecuada, que según las especificaciones no se produce.
Reduzca la sensibilidad del Tiristor utilizando una resistor entre la compuerta y el cátodo, como se muestra en la figura 3. Esto resistor puede tener valores entre 1 k y 47 k ohms típicamente, dependiendo del Tiristor considerado.
Si no es posible utilizar un SCR menos sensible o reducir la sensibilidad, aplique una pequeña tensión de polarización inversa a la compuerta del Tiristor durante los períodos en que está apagado. Esto tiene el efecto de aumentar IL y con esto evite tirar con el escape entre el ánodo y el cátodo.
En el desconectar
Para desconectar un Tiristor, la corriente de carga debe reducirse a un valor por debajo de la corriente de mantenimiento (corriente = HL), para un intervalo de tiempo suficiente para permitir que las transportadoras de carga salgan de la juntura.
En los circuitos de corriente continua esto se consigue mediante una "conmutación forzada", mientras que en los circuitos de corriente alterna, se produce automáticamente en el paso por cero.
La conmutación forzada ocurre cuando el circuito de carga tiene elementos que causan una reducción momentánea de la corriente al punto en el cual el Tiristor necesita apagarse.
Si la corriente a través del Tiristor no se guarda a un valor de menor que IH el componente no vuelve totalmente al estado de bloqueo y con él no se apaga. Si el tiempo es suficiente, se apaga y un nuevo disparo se puede hacer aplicando una tensión en la compuerta.
También en este caso IL se especifica para la temperatura ambiente, teniendo su valor reducido con el aumento de la temperatura. Como regla para utilizar un Tiristor teniendo en cuenta lo que vimos ten en cuenta que:
Para desconectar un Tiristor, la corriente de carga debe reducirse a un valor inferior a IH durante un tiempo suficiente para permitir su retorno al estado de bloqueo. Esta condición debe ocurrir a lo largo del rango de temperaturas del dispositivo en la aplicación dirigida.
Triacs
Estudiamos en detalle todo el funcionamiento del Triac en este ítem, por lo que no necesitamos repetirlo.
A continuación, recordamos los modos de disparo tanto por corrientes positivas como negativas que fluyen entre la compuerta y el MT1.
Las reglas para la tensión de VGT, IGT y corriente de carga (IL) son las mismas que vimos para los SCRs. con esto, es posible disparar el TIAC en cuatro cuadrantes, como ya hemos estudiado.
Cuando la compuerta está controlada por un circuito de corriente continua o unipolar, en el punto de cruce de la corriente de carga, es preferible el disparo por la corriente negativa de la compuerta, por las siguientes razones que siguen.
La construcción interna del Triac conduce a una estructura en la que la compuerta está más alejada de la región principal de los portadores de corriente cuando se opera en el tercer cuadrante y esto da como resultado:
1. Se requiere una corriente de pico igt más grande para disparar.
2. Mayor demora entre ig y el inicio de la circulación de la corriente por la carga. Esto hace que se requieran impulsos ig más largos para disparar.
3. Una capacidad más baja di/dt (índice del crecimiento actual). Con esto, al controlar corrientes muy intensas tenemos una corriente mucho más grande concentrada en pequeñas áreas del chip y puede causar su quema progresiva. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el componente controla cargas con una alta corriente inicial, como lámparas incandescentes.
En los controles de alimentación comunes conectados a la red eléctrica como dimmers o controles del motor, la polaridad de la compuerta y MT2 es siempre la misma. Esto significa que el dispositivo siempre opera en los primero y tercero cuadrantes.
En este modo de operación tenemos una operación simétrica del Triac, donde la sensibilidad al disparo es mayor. El lector debe tener en cuenta que:
Al diseñar un circuito de disparo, evite disparar en el tercer cuadrante siempre que sea posible.
Métodos alternativos de disparo
Hay casos en los que el disparo del Triac puede ocurrir de una manera indeseable.
En algunos casos, este disparo puede llevar a la destrucción del componente.
Examinemos los principales casos en que esto puede ocurrir y cómo evitarlos.
a) Señal de Gate Ruidosa
En ambientes donde hay muchos ruidos, puede producirse un disparo incorrecto del Triac si este ruido lleva la tensión de la compuerta a un valor superior a Vgt y con eso circular corriente suficiente para iniciar el estado de regeneración para el disparo.
Una primera protección es mantener las conexiones más cortas posibles para minimizar la posibilidad de captación de ruidos.
En los casos en que esto no sea posible, utilice un par trenzado o incluso un cable blindado para hacer la conexión de la compuerta del componente.
Una inmunidad adicional puede ser obtenida reduciendo la sensibilidad del Triac, que se consigue con la conexión de un resistor de 1 K ohms a 47 ohms entre ese electrodo y MT1.
También tenemos la posibilidad de desacoplar la cancela, con la conexión de un capacitor de 10 nF entre este electrodo y MT1 para desviar a la tierra los impulsos de ruido.
Por último, también existe la alternativa de utilizar componentes especialmente diseñados para proporcionar una inmunidad al ruido.
Varios fabricantes tienen líneas de Triac especialmente diseñadas para este propósito.
Por lo tanto, al diseñar un circuito con un Triac que debe funcionar en un ambiente ruidoso, el lector debe tener en cuenta que:
Para minimizar la captura de ruido mantenga las conexiones de la compuerta cortas. Tome el retorno de la señal de disparo directamente de MT1 o cátodo. Si el cable del disparo tiene que ser largo utilice alambre trenzado o blindado. Eventualmente pensar en reducir la sensibilidad con un resistor y añadir un capacitor de desacoplamiento.
b) Problemas con alta velocidad de disparo
Si se excede la tasa máxima de variación de la tensión de conmutación (dVcom/dt), que se produce cuando se controlan cargas altamente inductivas, se puede producir una desfasaje considerable entre la corriente y la tensión de carga como se muestra en la figura 4.
Cuando el Triac cambia a medida que la corriente de carga pasa a cero, la tensión no será cero, dado el cambio de fase mostrado en la figura. Eso significa que el Triac tiene que bloquear esa tensión.
La variación de tensión resultante de conmutación puede forzar al Triac a volver a la conducción, si excede la capacidad de dVcom/dt del componente. Esto se debe a que los portadores de carga no tuvieron tiempo suficiente para salir de la junción.
La capacidad dVcom/dt se ve afectada por dos factores:
La tasa de queda de la corriente en la carga en la conmutación, dIcom/dt. El más alto es dIcom/dt, el más bajo la capacidad de dVcom/dt.
Una temperatura de junción más alta baja la capacidad de dVcom/dt.
Si se excede el dVcom/dt del Triac, puede ocurrir el disparador falso. Una posibilidad es el uso de un snubber RC, como se muestra en la figura 5.
Para este snubber, los valores R típicos son entre 100 y 330 ohms mientras que para C el valor más recomendado es 100 nF. Vea que el resistor nunca debe estar ausente, porque sin él, la carga sería amortiguada por el condensador, causando oscilaciones capaces de conducir el circuito a la inestabilidad.
c) dicom/dt máximos excedidos
Una tasa de crecimiento de la corriente dIcom/dt en la conmutación de la mayor corriente de carga do que la soportada por el componente (asumiendo una señal sinusoidal), o no sinusoidal, puede causar problemas de conmutación.
El caso más común de la forma y la onda sinusoidal es cuando el Triac controla las cargas inductivas.
La falla de conmutación puede ocurrir por el contra-FEM generado en la carga inductiva, cuando la corriente en el Triac se reduce rápidamente a cero, como se muestra en la figura 6.
En esta condición de corriente cero en el Triac, la corriente de carga puede circular libremente en un circuito cerrado por el puente rectificador.
Las cargas de este tipo pueden generar transiciones rápidas de la corriente de dIcom/dt no apoyadas incluso en la operación relativamente lenta en circuitos de 60 hertz.
En este caso, un snubber no tendrá mucho efecto en el circuito porque el problema no es con la tasa de crecimiento de tensión dVcom/dt.
La solución consiste en limitar el dIcom/dt con la conexión de un pequeño inductor, algunos mH en serie con la carga.
Otra posibilidad es utilizar un Triac que esté específicamente diseñado para este tipo de aplicación.
d) Exceder la tasa de cambio máximo del voltaje del estado apagado dVd/dt
Si una tensión que varía muy rápidamente se aplica a un Triac en el estado de no-conducción (o cualquier Tiristor sensible), sin exceder VDRM, como se muestra en la figura 7, una corriente capacitiva interna puede generar una corriente de compuerta suficientemente intensa para Disparar el dispositivo.
La susceptibilidad a este problema aumenta con la temperatura.
En este caso, dVd/dt puede ser limitado por un snubber RC conectado entre MT1 y MT2.
Todo esto significa que el diseñador al trabajar con este componente debe tener en cuenta que:
Cuando las variaciones de tensión rápidas causan un problema de disparo errático, se debe conectar un snubber entre MT1 y MT2.
Donde las variaciones rápidas de la corriente son la causa del problema, uno debe agregar en serie con la carga un inductor de algún mH.
Alternativamente se puede utilizar un Triac especialmente diseñado para la aplicación
e) Superando VDRM
VDRM es la tensión máxima repetitiva del pico que el Triac soporta en el estado de no-conducción. Esta tensión puede exceder el valor máximo soportado por el componente en MT2 en presencia de transitorios en la alimentación.
Con esto las fugas entre MT2 y MT1 pueden llegar al punto donde el Triac se dispara espontáneamente, como se muestra en la figura 8.
Si la carga permite la circulación de una corriente intensa durante los pocos milisegundos en que se produce, puede circular una corriente ubicada en una pequeña área del chip, causando la destrucción del componente.
Lámparas incandescentes, circuitos de protección "crowbar", cargas altamente capacitivas son algunos tipos de cargas que pueden causar este problema.
Una posibilidad para proteger el componente es limitar la velocidad rápida de crecimiento de la corriente circulando a través del componente en estas condiciones. Esto se puede alcanzar por la conexión en serie de un inductor con núcleo de aire (no saturable) de algunos mH.
Si esta solución no puede ser adoptada, una posibilidad sería utilizar protección adicional contra transitorios en el circuito.
Esto se puede lograr con varistor de óxido metálico (MOV) en paralelo con la alimentación del circuito y luego la pequeña inductancia en serie con la carga.
Movs
Según muchos fabricantes, existen dudas en cuanto a la fiabilidad de los circuitos que utilizan MOVs conectados en paralelo con la red de energía, ya que se someten a deriva térmica, incluso a temperaturas ambiente, causando fallas catastróficas. Esto se debe a que la tensión de funcionamiento de estos dispositivos tiene un coeficiente de temperatura negativo.
Así, si se recomienda un componente de 275 Vrms para la operación en la red de 230 V, el riesgo de falla es mínimo.
Los fallos se producen principalmente si se utiliza un MOV de 250 V en la red de 230 V. para estos casos, el lector debe tener en cuenta que:
Si el voltaje VDRM de un Triac se puede exceder en presencia de transitorios más fuertes de la red de energía utilice una de las medidas de protección indicadas: reduzca la velocidad de crecimiento de la corriente con un inductor en serie con la carga o bien proteja el circuito con un varistor (MOV).
Tiempo dIt/dt de Disparo
Cuando un triac u otro tiristor se dispara correctamente a través de la puerta, la conducción comienza en el chip en el área inmediatamente adyacente a la compuerta, extendiéndose rápidamente por toda el área activa.
El tiempo para que este retardo de corriente se extienda impone límites a la tasa máxima de crecimiento actual en una carga.
Si la corriente de carga aumenta demasiado rápido antes de alcanzar el área de conducción total, se pueden producir sobrecalentamientos en el chip.
Estos puntos pueden hacer que el dispositivo se destruya de inmediato como una degradación gradual, con una reducción gradual de la sensibilidad de la compuerta.
Por ese motivo, al usar un Triac tenga em mente que:
Manteniendo la corriente del disparo seguro se preserva la integridad del triac.
Los ejemplos de cargas que tienen alta corriente de conducción inicial son lámparas incandescentes. La resistencia de un filamento frío es mucho más baja que la resistencia nominal.
Utilizando un triac para controlar un dispositivo como este, se entiende que dIt/dt está en su punto máximo, a la altura de la tensión de la red eléctrica.
Este problema se puede corregir reduciendo la tasa de crecimiento de la corriente con la adición de un pequeño inductor (algunos mH) en serie con la carga. El inductor elegido no debe ser de tipo saturable.
Otra posibilidad es la conexión de un NTC (Negative Coefficient Temperature) o del termistor en serie con la carga.
Sin embargo, la solución más "elegante" para el problema es utilizar los circuitos de de disparo que funcionan por el ciclo del paso por cero de la tensión de la alimentación. Esto significa que la conducción siempre comienza en el punto mínimo.
El lector debe entonces recordar que:
Si la tasa de crecimiento de la corriente en el disparo es demasiado alta, poniendo en peligro la integridad del componente, utilice un inductor en serie o un NTC.
Otra solución es adoptar un circuito de disparo de paso por cero parar cargas resistivas.
Desconectando
Como los triacs se utilizan en circuitos de corriente alterna, cambian naturalmente al final de cada semiciclo de la tensión de carga, a menos que se aplique la señal de disparo para seguir conduciendo en el próximo ciclo. Las mismas recomendaciones son válidas en el caso de los SCRs.
Los triacs, los SCRs y otros componentes de la familia de los tiristores son componentes robustos, soportando altas corrientes y tensiones.
Aun así, si estos componentes no se utilizan correctamente pueden presentar fallas e incluso quemar.
