Los dispositivos electrónicos están diseñados para funcionar a ciertos voltajes de suministro máximos. Cualquier valor mayor que el voltaje máximo permitido puede provocar un daño considerable que implique cables que se derritan, dispositivos que dejan de funcionar, paquetes que estén abultados, orificios físicos, grietas o incluso dispositivos que se inflamen cuando el circuito reciba el sobrevoltaje.
El voltaje que sobrepase las limitaciones que se especifican para un dispositivo es la causa de falla más común. Cuando el voltaje sube más allá de su límite de diseño, existe un sobrevoltaje. Un incremento súbito del voltaje, el suministro de entrada incorrecto, el exceso en la temperatura, los impactos mecánicos, la descarga electrostática, la baja resistencia entre el suministro y las clavijas de conexión a tierra, un cortocircuito de clavija, una falla del dispositivo y otras cosas pueden activar una situación de sobrevoltaje. Según la duración del evento, se denomina como transitorio, pico de voltaje o incremento súbito del voltaje.
Existen dispositivos de seguridad (como fusibles) que protegen los artefactos electrónicos del daño por corriente excesiva. Sin embargo, estos pueden ser ineficaces cuando se produzcan las corrientes transitorias y los picos de alto voltaje en el suministro de energía. Los transistores también pueden ofrecer protección, y actuar como interruptores y amplificadores de manera simultánea. De manera típica, sin embargo, manejan corrientes electrónicas pequeñas en el rango de miliamperios.
Figura 1: los tiristores son dispositivos simples, pero proporcionan una protección importante en situaciones de sobrevoltaje. (Fuente: BBC)
Los tiristores, en comparación, deben lidiar con corrientes electrónicas del rango de varios cientos de voltios y de hasta 10 amperios, y son particularmente útiles cuando existen situaciones de corriente fluctuante y sobrecorriente. Se usan en interruptores de potencia de fábrica, encendido de automóviles, protectores de incrementos súbitos del voltaje, termostatos, controles de velocidad de motores eléctricos y relés de estado sólido, y se encuentran comúnmente en equipos de telecomunicaciones. En una situación de sobrecorriente, el tiristor se enciende y permanece en ese estado hasta que restablezca un circuito.
Un ejemplo de una familia de tiristores incluye protectores de incremento súbito del voltaje de tiristores ON Semiconductor serie NP1800SAT3G NP , los que son dispositivos de protección de incrementos súbitos del voltaje de tiristores (TSPD, por sus siglas en inglés) bidireccionales de alto voltaje que se usan en circuitos de telecomunicaciones, entre los que se encuentran equipos de oficina central, de acceso y local del cliente, que los protegen de condiciones de sobrevoltaje.
Como dispositivos bidireccionales, cuentan con la funcionalidad de dos dispositivos en un paquete, lo que ahorra valioso espacio en la placa. Los dispositivos actúan como palanca cuando se produce el sobrevoltaje, lo que desvía la energía de un circuito o dispositivo que se protege. El uso de la serie NP de ON Semiconductor está pensado para ayudar a los fabricantes a cumplir con una variedad de requisitos reglamentarios.
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Los tiristores Bourns TISP400H1BJR-S están diseñados para limitar el sobrevoltaje en líneas de telecomunicaciones digitales, el que se debe normalmente al sistema de energía de CA o a alteraciones por relámpagos que se inducen o conducen por una línea telefónica. Un solo dispositivo proporciona protección en 2 puntos de los bobinados del transformador y de los componentes electrónicos de bajo voltaje.
El protector se compone de un tiristor bidireccional simétrico que se activa por voltaje. Durante el funcionamiento, el sobrevoltaje se recorta inicialmente mediante pinzamiento disruptivo hasta que el voltaje sube a un nivel que haga que el dispositivo se apalanque en una condición en estado activado de bajo voltaje. El estado activado de bajo voltaje hace que la corriente resultante del sobrevoltaje se desvíe de manera segura por el dispositivo. El dispositivo se apaga cuando la corriente desviada baja a menos del valor de la corriente de retención.
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El tiristor STMicroelectronics’ SMTPA62 Trisil™ también se usa para la protección de equipos de telecomunicaciones. Entre las funciones se encuentra la protección contra sobrevoltaje bidireccional, un rango de voltajes de 62 V a 320 V, capacitancia baja de 12 pF a 20 pF a 50 V, corriente de dispersión baja: IR= 2 μA como máximo, y una corriente de retención de = 150 mA como mínimo.
Entre las aplicaciones en el área de las telecomunicaciones se incluyen tarjetas de línea analógicas y digitales: xDSL, T1/E1, ISDN, terminales (teléfono, fax, módem), y equipo de oficina central.
La serie Trisil de STMicroelectronics está diseñada para proteger equipos contra relámpagos y corriente transitoria inducida por líneas de energía de CA. Se encuentran disponibles en paquetes SMA, SMB y DO-15. Los tiristores de la serie Trisil no están sujetos a una vida útil determinada y proporcionan un modo a prueba de fallas en cortocircuito para brindar una mejor protección. Se usan para ayudar a que el equipo cumpla con varias normas como UL1950, IEC950 / CSA C22.2, UL1459 y FCC parte 68.
Otro ejemplo es el dispositivo QFN SIDAC de 170 V 30 A 8 clavijas tiristor SDP1800Q38CB de Littelfuse, el que proporciona protección contra sobrevoltaje a VDSL2, ADSL2 y ADSL2+, y tiene un efecto mínimo en las señales de datos. El diseño da como resultado una característica de carga capacitiva, compatible con aplicaciones de alto ancho de banda. El paquete de montaje en superficie proporciona una capacidad de incremento súbito del voltaje que excede la mayoría de las normas y recomendaciones mundiales para incremento súbito del voltaje de iluminación.
El dispositivo cuenta con una protección equilibrada de sobrevoltaje, baja distorsión, pérdida de inserción y un bajo perfil.
Composición, función y valor de los tiristores
Los tiristores son semiconductores de estado sólido que cuentan con cuatro capas alternativas de material de N y P (P-N-P-N). El dispositivo conduce cuando la compuerta recibe una activación de corriente y sigue conduciendo mientras no se invierta el voltaje. Si bien existen muchos tipos, la mayoría incluye Diac (diodo para CA), Triac (triodo para CA) y rectificadores controlados por silicona. Los tiristores simplemente son componentes electrónicos que cuentan con tres conductores: un ánodo, cátodo y compuerta.
Cuando aumenta el voltaje en un resistor, el tiristor se activa y los rieles de alimentación se cortocircuitan durante solo un par de milisegundos antes de que se funda el fusible. Mientras más rápido sea el tiristor, más rápido será el tiempo de respuesta. El trabajo de la compuerta es controlar el flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo. Un fusible es 1000 veces más lento que un tiristor, lo que, en comparación, demora solo un par de microsegundos en activarse.
Los tiristores son unidireccionales, lo que significa que solo conducen corriente en una dirección cuando una corriente activa se aplica a la compuerta. Una pequeña corriente de compuerta controla una corriente anódica mayor y la corriente anódica debe ser mayor que la corriente de retención para mantener la conducción.
Los tiristores actúan como diodos rectificadores luego que se activan. Cuando se activan, se engancharán, conduciendo incluso cuando no se aplique una corriente de compuerta, siempre que la corriente anódica sea mayor que la corriente de cierre. Cuando la corriente ya no pase por una compuerta, el dispositivo se apaga y la corriente no puede pasar desde el ánodo al cátodo. Los tiristores no tienen piezas móviles, no crean un arco por contacto, reaccionan a la corrosión o suciedad y se pueden fabricar para que controlen el valor medio de una corriente de carga de CA sin disipar grandes volúmenes de energía.
Los tiristores se usan comúnmente en circuitos de CA en donde la corriente directa baja a cero durante cada ciclo, de modo que siempre haya una función de apagado. Esto significa que la compuerta se debe activar durante cada ciclo solo para volver a activarlo. La función más importante del tiristor, sin embargo, es la sincronización de estas funciones para proporcionar suficiente control de la energía y protección a los, a veces, frágiles componentes electrónicos de hoy en día.