¿Sabías que un dispositivo semiconductor llamado un tiristor resuelve el problema de la transferencia de energía desde una estación generadora hasta los consumidores ubicados lejos? Las transmisiones de corriente alterna tradicionales enfrentan grandes pérdidas de energía y también sufren problemas de estabilidad y controlabilidad en la transmisión de energía a larga distancia. La tecnología de corriente continua de alto voltaje (HVDC) es la elección correcta en estos casos. En HVDC, se deben convertir grandes cantidades de corriente alterna en corriente continua con la ayuda de estaciones de conversión. Después de eso, la corriente continua se transmite a los consumidores. Esta importante tarea de conversión es realizada por un dispositivo semiconductor de conmutación único llamado un tiristor, más específicamente por rectificadores controlados de silicio (SCR).
Explorando cómo funciona un tiristor
Tal vez hayas visto diferentes dispositivos de conmutación de semiconductores como los diodos y los transistores. De manera similar, un tiristor también es un interruptor. Todos estos dispositivos de conmutación están hechos del conocido material semiconductor de silicio. Un tiristor está compuesto por cuatro capas alternadas de regiones n y p.
Para comprender por qué se utiliza el tiristor, veamos cómo funciona un transistor normal, un BJT. Cuando conectamos una fuente de alimentación primaria, observamos que una de las junturas del transistor siempre está polarizada en inversa. Para activar el transistor, simplemente conectamos la fuente de voltaje secundaria entre el emisor y la terminal de la base. Esto encenderá el transistor.
Sin embargo, si quitamos la fuente de voltaje secundaria, el transistor se apagará, ya que necesita una fuente de voltaje secundaria continua. La necesidad de una continua alimentación de corriente de base causa una gran pérdida de energía, especialmente en aplicaciones de alta potencia. Para superar este problema, en 1950 William Shockley propuso un interruptor de potencia muy interesante conocido como un tiristor.
En los tiristores, a diferencia de los transistores, no se requiere de una fuente secundaria continua después de la activación. Incluso si se retira la fuente secundaria, el tiristor continuará funcionando. Para entender cómo funciona un tiristor de manera adecuada, primero necesitamos comprender qué es una región de agotamiento y el funcionamiento básico de un diodo.
Una estructura de silicio puro se muestra aquí. El silicio puro tiene una conductividad muy baja. Podemos aumentar su conductividad inyectando impurezas de tipo n o tipo p, en un proceso conocido como dopaje. Si se dopa una parte del silicio con tipo p y la otra parte con tipo n, obtendremos una unión p-n, o simplemente un diodo. En la unión de intersección p-n, ocurre un fenómeno interesante: la migración natural de los electrones.
Esto hace que la región p tenga una ligera carga negativa y la región n tenga una ligera carga positiva. En resumen, se forma una región de agotamiento donde no hay electrones ni portadores de carga en la unión p-n. Las cargas negativas y positivas ligeras a través de la región de agotamiento producirán un campo eléctrico entre ellas. Este campo eléctrico provoca un potencial de barrera. Debido a este potencial de barrera, la migración natural adicional de electrones no ocurrirá. Esta unión p-n no es otra cosa que un diodo.
Para ver cómo funciona, conectemos una fuente de voltaje directo al diodo con un valor de voltaje mayor que el potencial de barrera. Podemos ver que los electrones serán alejados por el terminal negativo y cruzarán la unión p-n. Después de cruzar, ocuparán los huecos disponibles en la región p debido a la atracción de la región n. Estos electrones saltarán a los huecos cercanos y el flujo continuará.
Aquí, el diodo está funcionando en una condición de polarización directa. Sin embargo, si invertimos el voltaje de suministro, los electrones y los huecos simplemente se alejarán y el diodo no funcionará. En la capa p, los huecos son los portadores de carga mayoritarios. Sin embargo, es importante destacar que también existen unos pocos electrones en la región p. Los llamamos portadores de carga minoritarios. Es el mismo caso con la región n.
Con este conocimiento básico, aprendamos sobre el funcionamiento del tiristor. Si dopamos una estructura de silicio con cuatro formas alternadas de impurezas de tipo p y tipo n, nacerá un tiristor. Aquí también ocurre la formación de regiones de agotamiento en las junturas.
De cualquier manera que apliques un voltaje en un tiristor, siempre habrá al menos una juntura polarizada inversamente. En el segundo caso, solo hay una juntura polarizada inversamente. Intentemos hacer un tiristor en funcionamiento a partir de esta configuración. Para que el tiristor conduzca, debemos romper esta región de agotamiento. En los tiristores, se utiliza un método eficiente y popular llamado activación por puerta para esto.
La activación por puerta es el proceso de la inyección de electrones. Para esto, conectemos la fuente de voltaje secundaria a la puerta y a la terminal del cátodo. Esta fuente secundaria inyecta una gran cantidad de electrones en la región p. A medida que continúa este proceso, la región p se llena de electrones. Los electrones se han convertido en portadores de carga mayoritarios en esta región.
En resumen, la región p eventualmente se convierte en una región n. Esta nueva región n hará que la región de agotamiento disminuya automáticamente, ya que la región p se ha convertido en una nueva región n debido a la activación por puerta. Las tres regiones en la parte inferior se convierten colectivamente en una gran región n. Ahora, la estructura de un tiristor se parece a un diodo de unión p-n. Como hemos visto anteriormente, cuando aplicamos un suministro de voltaje en polarización directa a un diodo de unión p-n, éste comienza a conducir.
En esta etapa, incluso si quitas la fuente de voltaje secundaria, el tiristor continuará funcionando, ya que los electrones inyectados en la región p la han convertido en una región n. De esta manera, en el tiristor, se necesita el voltaje de suministro secundario solo para la activación. Veamos ahora cómo podemos apagar un tiristor. La única forma de apagar un tiristor es aplicando un voltaje inverso en él. La forma más eficiente de lograr esto es utilizando un oscilador LC. En un oscilador LC, ocurre un intercambio de energía entre un capacitor y una bobina. Puedes ver que se produce un flujo de electrones fluctuante en el circuito.
Esto significa que el voltaje en el circuito también oscilará. Supongamos que el voltaje pico del circuito LC es mayor que el voltaje aplicado al tiristor. Si insertamos el circuito del tiristor en este circuito LC, el tiristor estará sujeto a un voltaje fluctuante en lugar de un voltaje constante en polarización inversa. El tiristor definitivamente se apagará sin necesidad de alimentación secundaria. Los tiristores ayudan a la tecnología HVDC a ahorrar una gran cantidad de energía eléctrica. Esperamos que este contenido te haya dado una buena visión del funcionamiento de los tiristores. Gracias.
