Tiristores y optoacopladores

Un transistor conduce mientras tiene señal de base. Un tiristor se enciende con un pulso breve en la puerta y…

• …sigue conduciendo aunque desaparezca la señal: queda enganchado.
• Solo se apaga cuando el circuito externo anula su corriente.
• En alterna eso ocurre solo, en cada paso por cero: ideal para gobernar cargas de la red.

Familia: SCR (tiristor), DIAC y TRIAC. Se usan en reguladores de luz, motores, hornos y relés de estado sólido.

Cuatro capas PNPN, tres uniones y tres terminales: ánodo A, cátodo K y puerta G (en la P próxima al cátodo).

Equivale a un PNP y un NPN con la base de cada uno unida al colector del otro.

• Sin I_G: los dos cortados → bloqueado (solo fugas).
• Con V_AK > 0 y un pulso entrante por la puerta: la realimentación lleva a los dos a saturación → conducción, V_AK ≈ 1–2 V.
• Cada transistor mantiene al otro: enganchado.

Enganche I_L (latching): corriente de ánodo que debe haberse alcanzado cuando termina el pulso. Si el pulso es demasiado corto, vuelve a bloquearse.

Mantenimiento I_H (holding): corriente mínima que lo mantiene conduciendo. Algo menor que I_L.

Con carga inductiva la corriente sube despacio: el pulso tiene que durar más.

• Inversa: bloquea como un diodo hasta la avalancha (V_RRM).
• Directa sin puerta: también bloquea, hasta la tensión de ruptura V_BO; al superarla pasa bruscamente a conducción.
• Cuanto mayor es I_G, menor es la tensión a la que se ceba; con la nominal, con muy pocos voltios.
• Conducción: como un diodo, con 1–2 V. La corriente la fija el circuito exterior.

• Por sobretensión: si V_AK supera V_BO, la corriente de avalancha hace de corriente de puerta.
  → tensión de bloqueo (V_DRM, V_RRM) mayor que la máxima del circuito.
• Por dv/dt elevada: la corriente capacitiva de las uniones, C·dv/dt, puede bastar para cebarlo.
  → red RC (snubber) en paralelo que suaviza la subida.

Hasta kV y kA: rectificadores controlados para motores de continua, arrancadores suaves, hornos y la protección crowbar.

El GTO se apaga con un pulso de puerta saliente; hoy, en continua, se prefiere el IGBT.

Se regula la potencia eligiendo en qué instante de cada semiciclo se ceba: el ángulo de disparo α, medido desde el paso por cero de v_i = V_p sen ωt.

• A 50 Hz, T = 20 ms: α = 90° → 5 ms.
• α = 0: toda la tensión, como un diodo. α = 180°: nada.
• Conmutando, el dispositivo apenas disipa, a diferencia de una resistencia en serie.

• 0 < ωt < α: directa pero sin cebar: v_L = 0, v_AK = v_i.
• α < ωt < π: conduce: v_AK ≈ 0, v_L = v_i. El pulso puede ser muy corto.
• π < ωt < 2π: inverso: v_L = 0, v_AK = v_i; soporta V_p en inversa.

V_p/π con α = 0 (diodo), la mitad con 90° y cero con 180°.

Dos diodos del puente se sustituyen por tiristores para aprovechar los dos semiciclos.

• A más positivo: conducen el tiristor 1 y el diodo 2.
• B más positivo: el tiristor 3 y el diodo 4.
• Los diodos conducen en cuanto tienen tensión directa; los tiristores, al recibir su pulso: G₁ en α y G₃ en π + α.

Si no conduce ningún tiristor no hay corriente; el diodo del semiciclo en curso queda a 0 V y fija los potenciales. Para el tiristor 1:

1. Positivo, antes de α: D₂ une N y P con B → v_AK1 = v_i > 0 (directa).
2. Positivo, después de α: conduce → v_AK1 ≈ 0.
3. Negativo, antes de π + α: D₄ une N y P con A → v_AK1 = 0.
4. Negativo, después: conduce T₃, P = B → v_AK1 = v_i < 0 (inversa).

Cambia a v_AK3, v_D2 o v_D4 y razona igual.

1. Semiciclos: qué queda en directa. Un diodo conduce con tensión directa; un SCR necesita además pulso; un TRIAC, en los dos.
2. Disparos sobre v_i (pulso, V_BO del DIAC, LED). Solo ceba si hay tensión directa; si el pulso sigue al empezar un semiciclo favorable, ceba al principio.
3. Bloqueo: conduce hasta que su corriente se anula (carga resistiva: paso por cero).
4. Carga: v_L = v_i (o |v_i|) mientras conduce; 0 si no.
5. Dispositivo (mallas): ≈ 0 si conduce; la tensión de la fuente si bloquea.
6. Alinear todo en el tiempo e indicar ángulos, tiempos y picos.

v_i triangular; G₁ a 20° y a 2π + 90°; G₃ a π + 105° y a 3π + 45°. Dibuja v_L y v_AK3.

1. Semiciclos: positivos → 1 y 2; negativos → 3 y 4.
2. Los cuatro pulsos llegan con tensión directa: todos ceban.
3. Cada uno conduce hasta el paso por cero siguiente.
4. v_L = |v_i| de 20° a π, de π + 105° a 2π, de 2π + 90° a 3π y de 3π + 45° a 4π.
5. v_AK3 = v_B − v_P: 0 (D₂), −v_i (T₁ conduce), −v_i > 0 (D₄, antes de G₃), ≈ 0 (conduce).
6. Todo alineado, con los ángulos.

Dispositivo de disparo bidireccional de dos terminales.

• Por debajo de V_BO (28–36 V), de cualquier polaridad: circuito abierto.
• Al superarla conduce bruscamente y su tensión cae ΔV (resistencia negativa).
• Deja de conducir cuando la corriente baja de la de mantenimiento.

1. SCR bloqueado: la red RC recibe casi toda v_i.
2. C₁ se carga por R_V1 + R₁: v_C sigue a v_i con retraso y menos amplitud.
3. En V_BO el DIAC conduce, C₁ se descarga por R₂ y la puerta: se ceba en α.
4. Con el SCR conduciendo, la red queda sin tensión: C₁ descargado hasta el final del semiciclo.
5. Semiciclo negativo: el SCR no puede cebarse; el pulso negativo no le afecta.

R₁ limita la corriente con el potenciómetro a cero; R₂, la de puerta.

Al aumentar R_V1 crece la constante de tiempo (R_V1 + R₁)C₁:

• v_C se retrasa más y tiene menos amplitud;
• V_BO se alcanza más tarde: aumenta α;
• baja la tensión media y la potencia en la carga.

El condensador debe tener capacidad suficiente para que su descarga desde V_BO garantice el cebado. Uso: motores universales y resistencias calefactoras.

240 V y 50 Hz; R_V1 ajustada para disparar a 30°; DIAC de 35 V. a) Ondas en C, DIAC, tiristor y carga. b) ¿Y con R_V1 = 0?

1. V_p = 240√2 = 339 V.
2. t_α = 30/360·20 = 1,67 ms; v_i(t_α) = 339 sen 30° = 170 V.
3. v_C ≈ v_DIAC: sube hasta 35 V en t_α, cae y queda a cero.
4. v_AK: sigue a v_i hasta 170 V, ≈ 1 V hasta 10 ms, y v_i en el negativo (−339 V).
5. v_L: de 1,67 a 10 ms en cada periodo. V_L,med = 339(1 + cos 30°)/2π = 100,7 V.
6. b) Solo R₁: casi sin retraso, α ≈ arcsen(35/339) ≈ 6° → ≈ 107 V, el máximo.

Equivale a dos SCR en antiparalelo con una puerta común. Terminales MT₁, MT₂ y G (del lado de MT₁, al que se refieren las tensiones de puerta).

• Sin puerta: abierto en los dos sentidos.
• Con un pulso conduce en el sentido que imponga la tensión, con 1–2 V.
• Se bloquea en cada paso por cero de la corriente.

Sirve para regular cargas de alterna sin rectificar.

Lo habitual: I y III, con I_G del mismo signo que V_MT2.

Ocurre de forma natural con un DIAC o un optotriac conectados entre MT₂ y la puerta.

También puede cebarse por sobretensión o por dv/dt: se evitan.

Un pulso con retraso α en cada semiciclo: la carga recibe de α a π y de π + α a 2π.

v_T = v_i − v_L: la parte que falta.

Valor medio nulo: importa el eficaz (α en radianes):

α = 0: el eficaz de la red. α = π/2: la mitad de la potencia máxima.

• Interruptor cerrado: la puerta recibe corriente siempre y el TRIAC se ceba al principio de cada semiciclo.
• Al abrirlo, termina el semiciclo en curso y se bloquea en el siguiente paso por cero.
• Un transistor gobernado por un µC podría hacer de interruptor… pero el control quedaría conectado a 230 V.

Como el regulador con SCR, pero en los dos semiciclos: DIAC y TRIAC son bidireccionales.

1. TRIAC bloqueado: el condensador se carga por el potenciómetro y la resistencia fija.
2. En ±V_BO el DIAC descarga C por la puerta (15 Ω limita el pico): se ceba en α.
3. Conduce hasta el paso por cero; C queda descargado.
4. En el semiciclo negativo, igual con las polaridades invertidas: cuadrantes I y III.

Más resistencia → más α → menos potencia. Lámparas, calefactores, ventiladores.

• Con un motor la corriente va retrasada: el TRIAC se apaga después del paso por cero de la tensión.
• En ese instante aparece de golpe una tensión elevada entre sus terminales: dv/dt muy alta.
• Puede recebarse solo y seguir conduciendo: se pierde el control.
• Se añade una red RC (snubber) en paralelo con el TRIAC, que suaviza la subida.

LED (infrarrojo) y receptor en el mismo encapsulado: aislamiento galvánico de varios kV.

• Proteger un µC frente a tensiones peligrosas o perturbaciones.
• Unir circuitos con masas distintas.
• Gobernar dispositivos de la red desde baja tensión.

LED con I_F de mA a decenas de mA (resistencia en serie). Receptores: fotodiodo, fototransistor, fototiristor y fototriac.

La luz hace de corriente de base. Como el CTR (Current Transfer Ratio) varía mucho, se usa en conmutación.

• v_in alta: I_F = (v_in − V_F)/R₁, satura y v_o ≈ 0.
• v_in = 0: corta y v_o = V_CC2.
• Invierte el nivel y, sobre todo, aísla las masas: 24 V de un automatismo → µC de 3,3 V.

El fototriac solo aguanta ≈ 1 A de pico: da el pulso de puerta a un TRIAC de potencia.

• Control: R_F = (V_OH − V_F)/I_F, V_F ≈ 1,2–1,5 V, con I_F ≥ I_FT (MOC3020: 30 mA; 3021: 15; 3022: 10).
• Potencia: corriente de MT₂ por 360 Ω y el fototriac a la puerta: cuadrantes I y III. 325/360 ≈ 0,9 A < 1 A.
• Cebado el TRIAC, el fototriac queda sin corriente: solo conduce unos µs.
• Al apagar el LED, el TRIAC sigue hasta el siguiente paso por cero.

• Fase aleatoria (MOC3020/21/22): se ceba cuando se enciende el LED, en cualquier punto. Permite el control de fase.
• Paso por cero (MOC3031/41/42): solo deja disparar con la red cerca de cero (< 20 V). Si el LED se enciende a mitad de semiciclo, espera al siguiente paso por cero.
• No sirve para control de fase, pero arranca siempre con tensión casi nula: sin picos ni interferencias.
• Es la base de los relés de estado sólido; la potencia se regula dejando pasar semiciclos completos.

Red de 220 V y 50 Hz. Nombra los elementos, explica su funcionamiento y dibuja la tensión en la carga y en el TRIAC si el LED se enciende un instante con α = 90°.

1. Optotriac (MOC3020): LED + fototriac, aísla el control. 360 Ω: limita la corriente, como máximo 311/360 = 0,86 A. TRIAC: conmuta la carga.
2. V_p = 220√2 = 311 V; 90° → t_α = 5 ms (y 15 ms).
3. v_L salta a ±311 V y sigue la senoide hasta el paso por cero.
4. v_T sigue a la red el primer cuarto de cada semiciclo y es ≈ 0 después.
5. V_L,ef = 220√(1 − 1/2) = 156 V: la mitad de la potencia.
6. Con un MOC3041 el pulso llega en el pico: disparo inhibido; solo sirve para activar (LED fijo) en el paso por cero.

• 2022, 2ª conv.: SCR gobernado por optoacoplador. Julio 2022: el mismo con puente de diodos. → en el taller
• 2023, 2ª conv.: MOC3020 y BTA16-600 con bombilla de 100 W. → optotriac
• 2024, 2ª conv.: puente + SCR + DIAC + red RC. → red RC
• 2025 y 2026, 1ª conv.: el dimmer. → dimmer
• 2026, 2ª conv.: optotriac con pulsos a 25°. → en el taller