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CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 2 DE 31 El tiristor 1.1. INTRODUCC1ON: La aparición del tiristor, o más concretamente rectificador controlado de silicio (S.C.R.), ha materializado un cambio decisivo tanto en la concepción como en la realización de inversores y conversores de potencia eléctrica Desde el punto de vista de su utilización el S.C.R vino inicialmente a sustituir al tiratrón en los circuitos empleados en electrónica industrial en este sentido, puede decirse que, como componente activo de los circuitos electrónicos, el S.C.R represento un gran adelanto respecto a aquél. Si bien ambos componentes son semejantes en cuanto a su forma de actuar, no lo son en sus características eléctricas, en las que resulta muy superior el S.C.R., ni en sus características mecánicas, donde el peso, volumen y robustez no admiten competencia. 1.2. DESCRIPCIÓN BÁSICA: El S.C.R. está constituido por cuatro capas de silicio dopadas alternativamente con impurezas del tipo P y del tipo N, cómo se indica en la Figura 1.la, estando su símbolo representado en la (Figura 1.l. b). La región terminal P2 es el ánodo (A) y la otra región terminal N1 el cátodo (K). La puerta (G) se sitúa en la zona P1 Las situaciones o estados en los que se puede encontrar el S.C.R. vienen determinados por la polarización a la que esté sometido y, como su nombre indica (controlado), mediante una señal exterior se le puede cambiar de uno a otro. Con polarización inversa (A negativo respecto a K) las uniones U1 y U3 quedan polarizadas inversamente; la corriente a través del dispositivo será debida a portadores minoritarios, siendo muy pequeña y pudiéndose considerar casi nula para cualquier valor de la tensión de polarización menor P2 N2 P1 N1 U3 U2 U1 Cátodo (K) Anodo (A) Puerta "Gate" (G) (K) (G) (A) Fig ra 4 1 (a) C nstit ción interna del S C R (b) Simbolo (a) (b) CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 3 DE 31 (A) (K) (a) (G) (K) (G) (A) (b) Figura 4.2. Estados de S.C.R. (a) Bloqueo directo Inverso (b) Conducción que la máxima inversa aplicable VBOR, a la que se produce la ruptura por avalancha, con posibilidad de destrucción del componente. El S.C.R. se comporta como un circuito abierto (Fig. 1.2a) y se dice que está en estado de bloqueo inverso. Con polarización directa (VA > VK) solamente la unión U2 queda polarizada inversamente, por lo que la única corriente que circula por el dispositivo es la inversa de saturación correspondiente y, también, muy pequeña hasta un valor de polarización VBO llamado de avalancha, ruptura o de cebado, en el que la corriente a través del dispositivo crece de forma abrupta, no siendo recomendable establecer dicha conducción por este método. Hasta dicho valor V0, el S.C.R. sigue comportándose como un circuito abierto (Figura 1.2. a), pero ahora se encuentra en el llamado estado de bloqueo directo. Si con polarización directa se introduce una corriente en la puerta (G) que contribuya a aumentar el tipo de portadores que predominan en esa zona (siendo P1: la corriente será positiva), se conseguirá que, por efecto de la difusión, aumente también el número de portadores mayoritarios que constituirán una corriente de elevado valor que cebará el S.C.R., siendo ésta limitada exclusivamente por la impedancia exterior al dispositivo. El S.C.R. se encuentra ahora en estado de conducción y se comporta casi como un cortocircuito (Fig. 1.2 b) siendo la tensión VAK entre sus extremos muy pequeña ( ≈ V para tiristores de media- baja potencia) y denominada VT. En la Figura 1.3, se hace otra representación equivalente del S.C.R. en la que éste se ha desdoblado en dos partes desplazadas físicamente, pero que permanecen eléctricamente conectadas. Este desdoblamiento se ha hecho con la intención de que el dispositivo pueda considerarse como dos transistores en oposición (un PNP y un NPN), siendo las regiones N2 y P1 bases y colectores, a la vez y respectivamente, de ambos transistores. Al polarizar el ánodo positivamente respecto al cátodo, se inyectan electrones y huecos en sus extremos, estos portadores se difunden, respectivamente a través de las uniones N1-P1 y P2-N2, realimentándose en el bucle interno de ambos transistores. Mientras dicha polarización permanezca dentro de ciertos limites la cantidad de portadores se mantiene estable y de valores pequeños. (A) (G) (K) P2 N 2 P1 N2 P1 N 1 Figura 4 3 Circuito equivalente al tiristor CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 4 DE 31 Cuando la tensión ánodo - cátodo aumenta hasta un valor critico VBO, se generan tal cantidad de portadores que, por efecto de la realimentación y los factores de amplificación de los transistores, el tiristor pasa al estado de conducción. Esta forma de establecer la conducción (cebado) es desaconsejable en la mayoría de los casos, ya que el elemento no ha sido diseñado para soportar esa corriente inversa de fugas. Supongamos que se aplica al S.C.R. una tensión entre ánodo y cátodo VB1 menor que VB0 (Gráfica 1.1); entonces el tiristor permanecerá bloqueado y puede cambiar a conducción aplicando a la puerta una corriente de disparo IG1. Aplicando una tensión VB2, menor que VB1 SC requerirá una corriente IG2 Gráfica 1.1 Curvas características del S.C.R. mayor que IG1 para cebar al componente. Una vez cebado, la puerta pierde el control sobre el estado del S.C.R. hasta tal punto que es posible desconectaría sin que cambie de estado. El paso al estado de bloqueo se conseguirá únicamente cuando la tensión ánodo cátodo disminuya por debajo de un valor de mantenimiento (VH), tal que la corriente de ánodo alcance un nivel inferior a IH (llamada también de mantenimiento), en el que el S.C.R. se bloquea y la puerta vuelve asumir el control del cebado. Se debe advertir que, aun cebado el tiristor, si la corriente de ánodo, determinada por el circuito exterior, es inferior a un valor IL llamado “corriente de enganche” y desaparece la corriente de puerta, el componente vuelve al estado de bloqueo. Dicho valor IL es ligeramente mayor que IH Entre la información que ofrecen los fabricantes en sus hojas de datos podemos destacar: VDRM/VRRM máx.: Voltaje de pico (ánodo-cátodo) directo / inverso repetitivo, al cual el fabricante garantiza que no hay conmutación con la puerta desconectada. VD/VR máx.: Similar al anterior pero en c.c. VT: Tensión ánodo-cátodo en estado de conducción. IG2 IG1 IG0 IL IH VH VT VB2 VB3 VB0 VBOR-VAK +VAK +IK -IK CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 5 DE 31 VGT: Tensión puerta-cátodo de disparo para una VD determinada. VGD: Tensión de puerta que no provoca el disparo para VDRM máx. a una temperatura determinada. VRGW: Voltaje inverso de puerta máximo permitido. IT(AV) máx.: Intensidad directa media para unas condiciones de frecuencia y temperatura. ITSM: máx.: Corriente de pico no repetitivo. IH: Corriente de mantenimiento para una determinada temperatura. IGT: Corriente de puerta de disparo para un voltaje determinado. PG(AV): Potencia media disipada por la puerta. PGM: Potencia de disipación de pico por la puerta 1.3. FUNCIONAMIENTO Característica tensión corriente: Sobre el circuito de la Figura 1.4 desarrollaremos nuestro estudio para la obtención de los puntos característicos del funcionamiento del S.C.R., una aproximación a la característica tensión-corriente (Gráfica 1.1) En este circuito se presenta un ejemplo de utilización donde, mediante la posición del conmutador (S), Fig.1.4 Circuito Práctico parala obtención de la característica directa del S.C.R. se controla la aplicación de potencia a la carga (R1): R1 limitará la corriente que circule por el circuito ánodo-cátodo cuando el tiristor esté en conducción. R2 limita la corriente de puerta a un valor máximo cuando el potenciómetroP esté situado al mínimo, y con éste se consigue ajustar dicha corriente. Suponemos inicialmente el interruptor S abierto, por lo que la corriente de puerta IG = 0 Aumentando lentamente VAA, a partir de cero, por el tiristor habrá una circulación despreciable de corriente y la CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 6 DE 31 caída de tensión en R1 será prácticamente cero, luego VAK = VAA, hasta que alcanzado un valor VAK = VAA = VBO el tiristor pasa al estado de conducción y su tensión ánodo-cátodo ha disminuido a un valor VT. En esa situación; la corriente de ánodo IA presenta un valor: 1R VVI TAAA −= Si en esas circunstancias disminuimos progresivamente VAA, también lo hará IA hasta alcanzado un valor IH, a partir del cual el tiristor pasa al estado de bloqueo o descebado extinguiéndose la corriente de ánodo. Aumentando posteriormente VAA, se observa que estamos en las condiciones iniciales, no alcanzándose el cebado hasta no llegar a un valor de VAA = VBO Si con VAA = 0 cerramos S y, mediante P, ajustamos IG a un valor IG1 y repetimos el proceso anterior, observaremos que el S.C.R. se ceba a una tensión V3 < V30. Una vez alcanzada dicha situación, la corriente que circule por el circuito de ánodo dependerá del valor de R1 y del actual de VAA. Abriendo S, no varían las condiciones del circuito de ánodo, ya que al estar el tiristor en estado de conducción, dicho circuito es independiente del de puerta. Se observa, igualmente, que en el estado de conducción, para el mismo valor de VAA que en el caso de IG = 0, se obtiene el mismo valor de VT y que disminuyendo VAA, para conseguir el bloqueo, encontramos que éste ocurre para valores sensiblemente iguales de IH y VH a los obtenidos anteriormente. Reiterando los pasos anteriores para valores de IG1 tales que: IG1 < IG2 < IG3 se irán obteniendo tensiones de cebado ánodo-cátodo cada vez menores, de tal forma que: VB1 > VB2 > VB3 Hasta que alcanzado un valor determinado de IG1 relativamente grande, el tiristor se ceba directamente al alcanzar VAK un valor igual a VT y, para este caso, su comportamiento será similar al de un diodo. De todo lo anterior podemos resumir que: La magnitud de la corriente de puerta controla el valor de la tensión ánodo-cátodo a la que se ceba el S.C.R. Una vez cebado, la corriente IA que circula por el S.C.R. depende exclusivamente del circuito exterior. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 7 DE 31 El tiristor volverá al estado de bloqueo cuando la corriente de ánodo descienda por debajo de la de mantenimiento IH. Con pequeñas corrientes de puerta, se pueden controlar grandes corrientes de ánodo. Circuitos de descebado: Las dos grandes ventajas que presentan los tiristores son el poder determinar el valor de tensión a partir del cual se aplica potencia a una carga (de ahí su nombre de S.C.R.) y el controlar corrientes de carga (IA) importantes, mediante corrientes de control (IG) sensiblemente inferiores. Cuando el S.C.R. encuentra aplicaciones en c.c. (al presentar dicha tensión valores constantes), la corriente de puerta deberá presentar dos niveles perfectamente diferenciados, es decir, todo o nada de tal forma que, cuando se introduzca corriente por dicho terminal, el componente se cebe aplicando potencia a la carga; ahora bien, en estas condiciones permanecerá mientras, de algún modo, no se reduzca la corriente de carga por debajo de IH, misión de la que se encargan los circuitos de descebado. Cuando el descebado se ha de producir manualmente o por medios mecánicos, la Figura 1.5 representa las dos formas más elementales de conseguirlo. En el circuito de la Figura 1.5a, y mediante la actuación sobre el pulsador S, se interrumpe directamente la corriente de ánodo, quedando por tanto, el tiristor dispuesto para ser cebado de nuevo. Este sistema encuentra aplicación en el control de pequeñas corrientes. Cuando la corriente a conmutar es de valores considerables, no parece lo más conveniente interrumpirla directamente, ya que seria necesario colocar un interruptor o pulsador cuyos contactos soportarán dicha interrupción dejando sin sentido el empleo del tiristor. En ese caso se empleará el circuito de la Figura 1.5b del que analizaremos su comportamiento. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA Cuando el S.C.R. conduce, C se carga, a la tensión VAA, a través de R1 y del mismo tiristor con la polaridad indicada. Al cerrar S, el condensador queda conectado en paralelo con el S.C.R. y sus tensiones respectivas en oposición: como C se ha cargado a una tensión VAA, valor mayor que VT, el tiristor queda momentáneamente sometido a una polarización inversa de valor VAK = VT – VAA Asegurando el bloqueo. El valor de R1 ha de ser elevado con el fin de no absorber innecesariamente corriente de la fuente durante la actuación de S. Cuando el descebado haya de ser controlado por procedimientos electrónicos, es decir, venga controlado por una señal, la idea fundamental es sustituir S por un elemento de conmutación (transistor, tiristor o cualquier elemento que presente un súbito paso de corriente mediante la aplicación de una señal de control). La Figura 1.6a muestra el empleo de un transistor donde la presencia de un pulso, en el circuito de base de T, provoca la saturación del mismo y la derivación del punto de unión de R1 y C a masa. Figura 1.6. Ci (a (b Nótese que la especificación de En la Figura 1.6b el transistor pulsos en su circuito de puerta asegura, ya que una vez descar TH2 (requisito que ha de cumpli Estos dos circuitos ofrecen com siendo las corrientes de control La Figura 1.7 muestra dichos ci (a) T rcuitos de desebado activados por elementos comu ) Mediante transistor. ) Mediante tiristor. VCEO del transistor ha de ser mayor que VAA. se ha sustituido por un segundo tiristor (TH2), d provoca el paso a su estado de conducción y su gado C, la corriente a través de R1 es inferior a la r el valor de dicha resistencia). o ventaja adicional el que se puedan emplear pa de descebado que se gobiernan muy inferiores a la rcuitos para actuación manual: (b) IRISTORES - PAG. 8 DE 31 nes. onde la presencia de posterior bloqueo se de mantenimiento de ra actuación manual, s de carga. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 9 DE 31 Figura 1.7 Circuitos de desebado de actuación manual mejorados. (a) Mediante transistor. (b) Mediante tiristor. Componentes de (a) Características Componentes de (b) Características RL 470Ω, 4W. RL 470Ω, 4W. R1 39kΩ, ½W. R1 39kΩ, ½W. R2 4k7Ω, ½W. R2 10kΩ, ½W. C 470nF, 63V. C 470nF, 63V. Transistor BD137 Transistor BD137 TH BT106D TH BT106D S Pulsador NA S Pulsador NA VAA 25V – 0,5A VAA 25V – 0,5A 1.4 CONSIDERACIONES GENERALES Una vez mas, insistimos en la necesidad de respetar de manera generosa las especificaciones máximas dadas por los fabricantes para garantizar larga vida a los componentes. En el caso concreto de los tiristores, su punto más débil es el circuito de puerta, ocurriendo que la mayoría de las destrucciones son debidas a sobre-tensiones o sobre-corrientes en dicho circuito, en definitiva: por una disipación de potencia elevada. En la información de los fabricantes es muy usual encontrar gráficas similares a la Gráfica 1.2 que representan las posibles situaciones y áreas correctas de trabajo CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 10 DE 31 En dicha gráfica se observan como regiones principales: Las próximas a ambos ejes en las que el disparo no se produce. Área en la cual no se garantiza el disparo. Área de disparo más conveniente cuando la señal de cebado se aplica de forma continua. Curva de máxima potencia para aplicación, durante todo ejemplo ciclo de cebado, de señal de disparo. Curva demáxima potencia para cebado mediante pulsos de duración no superior al l0 por l00 del ciclo de conducción. Gráfica 1.2 Característica de puerta En general, se debe asegurar el disparo cuando ello sea requerido, pero sin llegar a las zonas de máxima disipación, para evitar situaciones limites. Por otra parte, cuando el tiristor se incluya en circuitos cuya señal de cebado pueda presentar fuertes variaciones, se han de habilitar medios para limitar la tensión y corriente a valores de seguridad inferiores a los máximos especificados. 1.5 TRABAJO PRACTICO PROPUESTO 1. Conectar el circuito de la Figura 1.4. Abrir S y ajustar VAA a cero. Ir aumentando VAA hasta un posible cebado del tiristor (VAK ≈ 1V). Anotar en la Tabla 1.1 el valor de la tensión anterior (ánodo- cátodo) al posible cebado. Anotar igualmente ci nuevo valor (VT) si lo hubiera. Disminuir lentamente VAA hasta que se descebe el S.C.R. (caso de haberse cebado). Anotar la lectura de IA (IH). CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 11 DE 31 2. Ajustar VAA a cero, con S cerrado. Probar distintos valores de IG1 mediante el ajuste de P, para conseguir cebar el tiristor a distintas tensiones VAK Completar la Tabla 1.1. 3. En el circuito anterior, incluir un pulsador NC entre la fuente de alimentación y el cátodo. Cebar el S.C.R. conectando una resistencia de l0kΩ en serie con un pulsador NA entre + VAA y la puerta, previo ajuste de VAA a 25 V. 4. Conectar el circuito de la Figura 1.5b. Cebar el tiristor. Medir la tensión en extremos de C y observar su polaridad. Actuar sobre S y comprobar el descebado. 5. Repetir el punto anterior para los circuitos de la Figura 1.7. IG = µµµµA VAA VB VR1 VT IH 0 IG1 IG2 CUESTIONES: 1. Razonar el efecto de la corriente de puerta sobre la tensión de cebado ánodo-cátodo. 2. ¿Qué sentido tiene el nombre de S.C.R? 3. ¿Serian necesarios circuitos de descebado en c.a.? ¿Por qué? 4. Dar una explicación de por qué no se ha cebado el tiristor en el punto 1 del proceso operativo. 5. Razonar e interpretar los resultados de la Tabla 1.1 CONCLUSIONES: Un tiristor es un elemento semiconductor de silicio con cuatro capas dispuestas: PNPN. Cada valor de la corriente de puerta determina una tensión de cebado ánodo-cátodo distinta, de tal forma que: a mayor corriente de puerta, menor tensión de cebado. Una vez cebado el tiristor se puede desconectar el circuito de puerta y aquél seguirá cebado hasta que la corriente de a nodo disminuya por debajo de la de mantenimiento (IH) En aplicaciones de c.c es necesario disponer de circuitos de descebado, ya que la corriente se mantiene constante una vez que el tiristor se ha disparado. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 12 DE 31 INFORMACIÓN ADICIONAL: TIRISTOR BT106D CÁPSULA VDRM VT VG MÁX ITSM MÁX IH IGD PG(VA) MÁX PGM MÁX VGD TO - 126 400 V 2,2 V MÁX 6 V 18 A < 3mA < 2mA 0,1 W (10 ms) 0,5 W (10 ms) > 0,2 V CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 13 DE 31 Control de Corriente Alterna con Tiristor 2.1. INTRODUCCIÓN El control o regulación de potencia entregado a una carga a través de un tiristor o S.C.R. se consigue realizando un gobierno del mismo por el ángulo de conducci6n o, lo que es igual, retardando el instante de disparo mediante un circuito RC, por medio de un oscilador de relajación (por UJT o por PUT). o por otros medios. Como tal dispositivo regulador puede utilizarse en: Control de temperatura. Encendido de motores. Control de velocidad de motores. Y, en general, en todas aquellas aplicaciones que requieran un control de potencia. 2.2. DESCRIPCIÓN BÁSICA Control de media onda con S.C.R. Según la Figura 2.1, observamos una carga dispuesta en serie entre la alimentación y el S.C.R.. más un circuito de control que gobernará el disparo. Una vez producido éste, se origina una corriente pulsatoria que al mismo tiempo estará regulada por los tiempos de conducción del S.C.R decididos o gobernados por el circuito de control. En el instante de producirse el impulso de control, se provoca el cebado del S.C.R.. cayendo su tensión VAK prácticamente a 0V y permitiendo el paso de corriente IL que, al atravesar la carga RL, determina la tensión. Figura 2.1. Control de onda S.C.R. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 14 DE 31 Control de doble onda con S.C.R. Como ya sabernos, el S.C.R. es un elemento unidireccional. razón por la que el circuito genérico de la Figura 2.1 no puede ser aplicado para el control de doble onda mediante un S.C.R. En estos casos se recurre a la disposición mostrada en la Figura 2.2a. en la que el tiristor se conecta en la diagonal de continua de un puente rectificador, dando como resultado un control electivo sobre la carga en ambos Figura 2.2. Control D.O. con S.C.R. (A) Para cargas C.C. (B) Para cargas C.A. semiciclos de la tensión de alimentación. La disposición mostrada en la Figura 2.2a es conveniente en aquellas aplicaciones en las que la carga debe alimentarse con una tensión de única polaridad. siendo su equivalente para cargas de debe polaridad la mostrada en la Figura 2.2b y quedando. en este caso, la carga conectada en serie entre la tensión alterna de alimentación y el puente rectificador. Tanto en el Control de D.O. como en el de M.O, la función del circuito de control es la de producir el impulso de cebado del S.C.R existiendo múltiples formas de realizar este cometido, siendo la más sencilla la de control por variación del ángulo de conducción. que es el objetivo de esta práctica. Esta variación del ángulo de conducción (o variación del tiempo que tarda en producirse el disparo de cebado) puede lograrse mediante una red desfasadora RC, o bien mediante un oscilador de relajación sincronizado con la frecuencia de la tensión de alimentación. En este último caso, el oscilador utilizado para la producción del impulso de cebado puede estar basado en cualquiera de los elementos vistos CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 15 DE 31 anteriormente, capaces de implementar este circuito, limitando el estudio de esta práctica a los realizados con transistores UJT y PUT, debido a su simplicidad y óptimo rendimiento. 2.3 FUNCIONAMIENTO El principio general del control por ángulo de conducción consiste en retardar sistemática-mente el instante del disparo. Veamos este control de la c.a., y para ello lo dividiremos en: control de media onda y de doble onda. Control de media onda con S.C.R. En principio, el retardo de control podría conseguirse al alcanzar la puerta un determinado nivel de tensión. La forma inmediata de realizarlo consiste en obtener el nivel requerido a partir de la alimentación y por medio de un divisor de tensión, tal como se muestra en el circuito de la Figura 2.3. La tensión en el punto B (VB), determinada por el divisor de tensión formado por R1 + P y R3, produce el cebado del S.C.R. transcurrido un tiempo determinado. La variación del potenciómetro P nos permite un margen de control exclusivamente entre 0º y 90º, ya que cualquier valor de tensión (punto 2 de la Gráfica 2.1) comprendido entre 90º y 180 se habrá alcanzado anteriormente (punto 1 de la misma gráfica), por lo que el S.C.R. estaría previamente cebado. Este inconveniente queda resuelto cambiando R3 por un condensador C. El retardo sistemático se consigue por la célula RC introduciendo una constante de tiempo; mostrando la Figura 2.4 el circuito así obtenido. En este circuito, C se carga a través de la resistencia R1 y el potenciómetro P, retardando el momento en el que se alcanza la tensión de cebado. En el semiciclo positivo y sin conducir el S.C.R el valor de la corriente de carga es Figura 2.3. Controldel S.C.R. por ángulo de conducción, mediante divisor de tensión resistivo. Componentes: RL = 470Ω, 5W R1 = 2k2Ω, ½W R2 = 1kΩ, ½W R3 = 10kΩ, ½W P = 10kΩ D = 1N4007 TH = BT106 VI = 24V, 50Hz CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 16 DE 31 C AK L XPR VI ++ = 1 respecto a VAK o tensión de alimentación. La tensión en extremos de condensador es: y estará retrasada ϕ + 900 respecto a la de alimentación, por lo que a partir de su inicio (y dadas las características del S.C.R.) se puede establecer el instante del disparo, con un ángulo a comprendido entre 0 < α < 1800. La forma de onda de la señal de salida en la carga es, entonces, sólo una fracción del semiciclo positivo, controlando así el valor medio de la corriente de carga IL y, por tanto, su potencia. Grafica 2.1. Tensión en el punto B del circuito de la Figura 2.3. Con un desfase de: PR XTang 1 C1 + = −ϕ CX×= LC IV Figura 2.4 Control del M.O. con S.C.R. por RC. Componentes: RL = 470Ω, 5W R1 = 1kΩ, ½W R2 = 1kΩ, ½W P = 470kΩ C = 100nF, 100V D = 1N4007 TH = BT106 VI = 24V, 50Hz CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 17 DE 31 Con más detalle podemos observar en la Gráfica 2.2 las formas de onda de alimentación (VI). tensión en la carga (VRL) tensión ánodo-cátodo (VAK) tensión de control (VG) y corriente en la carga (IL). con sus respectivas relaciones de fase. El diodo D impide la descarga del condensador durante el semiciclo negativo, evitando la aplicación de una tensión negativa a la puerta del S.C.R. Al actuar sobre P, variamos el ángulo de disparo α y con ello la potencia media entregada a la carga, siendo el ángulo β (ángulo de conducción) el correspondiente a: ββββ = 1800 −−−− αααα admitiendo que el descebado del S.C.R. se produce al paso por cero de la tensión de entrada. Las formas de onda del circuito anterior pueden apreciarse en la figura siguiente: Fig. 2.2 Formas de onda del circuito de la Fig. 2.4 Control de doble onda con S.C.R. Para estudiar los circuitos de control de doble onda con S.C.R.. nos apoyaremos en el esquema de principio del circuito de la Figura 2.2a, siendo aplicables al de la Figura 2.2b, sin más que cambiar la carga de sitio. En el circuito de la Figura 2.5 se muestra un esquema típico de control de D.O por RC en el que la tensión pulsatoria dada por el puente de diodos es la tensión a controlar por el S.C.R. Esa misma tensión pulsatoria nos va a servir para provocar el disparo o cebado. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA Si atendernos al proceso de control tratado anteriormente y teniendo en cuenta que la corriente en la carga es una tensión pulsatoria de doble onda. obtenemos un control efectivo sobre los dos semiciclos. La Gráfica 2.3 muestra las formas de onda de las tensiones desarrolladas en este circuito. Modificando convenientemente el circuito de la Figura 2.5, de manera que por un oscilador de relajación por UJT, se obtiene el circuito mostrado e comportamiento es bastante similar al descrito anteriormente. En este circuito, el condensador se carga a través de R2 y P hasta que la te alcanza su nivel de disparo. Grafica 2.3 Fo de la Figura 2 Figura 2..5 Control D.O. por RC. Componentes: D1 = D2 = D3 = D4 = 1N4007 RL = 470Ω, 5W R1 = 1k2Ω, ½W R2 = 1kΩ, ½W P = 470kΩ C = 100nF, 100V TH = BT106 VI = 24V, 50Hz TIRISTORES - PAG. 18 DE 31 se sustituya la célula RC n la Figura 2.6 y cuyo nsión de emisor del UJT rma de onda del circuito .5 CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 19 DE 31 En ese momento, el UJT basculo y el condensador C se descarga sobre la resistencia RB1, mandando el impulso necesario a la puerta del S.C.R. para provocar su cebado Las variaciones del potenciómetro controlan el basculamiento del UJT que a su vez se refleja en el control del cebado del S.C.R. y, por consiguiente, en la potencia entregada a la carga. Pudiera pensarse en principio que con este circuito Si en un determinado Semiciclo no se llegara a producir ti cebado del S.C.R., la tensión almacenada en el condensador fuera suficiente como para variar el punto de disparo en ci siguiente semiciclo. Esto no es cierto, ya que la frecuencia del oscilador de relajación está sincronizada con la tensión de alimentación del circuito, produciéndose, en el peor de los casos, el basculamiento del UJT al paso por cero de la tensión de alimentación y descargando con ello al condensador, motivo por el cual al inicio del siguiente semiciclo siempre se partirá de las mismas condiciones iniciales. Si en el circuito anterior se sustituye el UJT por un PUT, obtenemos un circuito de control de S.C.R. en C.A. por PUT, tal como se muestra en la Figura 2.7 El condensador C se carga a través de la resistencia R1 al igual que en los circuitos anteriores, pero en Figura 2.6 Control D.O. por UJT. Componentes: D1 ↔ D4 = 1N4007 RL = 470Ω, 5W R1 = 220Ω, ½W R2 = 1k2Ω, ½W RB1 = 33Ω, ½W RB2 = 470Ω, ½W P = 470kΩ C = 100nF, 100V TH = BT106 T = 2N2646 VI = 24V, 50Hz Figura 2.7 S.C.R. Disparado por PUT. Componentes: D1 ↔ D4 = 1N4007 RL = 470Ω, 5W R1 = 150kΩ, ½W R2 = R3 = 1kΩ, ½W P = 2k5Ω C = 56nF, 100V TH1 = BT106 TH2 = BRY56 T = 2N2646 VI = 24V, 50Hz CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 20 DE 31 esta ocasión el paso al estado conductor del PUT se produce cuando la tensión almacenada en C supera a la tensión de puerta anódica determinada por el divisor de tensión formado por R2 y P. En ese momento, el PUT bascula produciendo un impulso en la puerta del S.C.R. que provoca su disparo. El control del ángulo de conducción del S.C.R. se logra variando el potenciómetro P ya que de este modo se varia la tensión de puerta y, por tanto, la tensión a la que ha de cargarse C. 2.4 CONSIDERACIONES GENERALES Tanto en el circuito con UJT como en el de PUT, se ha supuesto una tensión alterna de 24V eficaces. Si fuera necesario aumentar dicha tensión, habrá le tenerse en cuenta que estos elementos no soportan una tensión de alimentación elevada, teniendo que modificarse los circuitos anteriores, tal como se muestra en la Figura 2.8, en la que se ha incluido un diodo zéner y una resistencia limitadora para proporcionar la tensión de polarización del elemento. Es posible utilizar los circuitos de disparo por UJT y por PUT para el control de M.O. debiéndose, en este caso, intercalar un diodo en serie con la resistencia R1. para evitar el paso de corriente por aquellos elementos durante los semiciclos negativos. 2.5 TRABAJO PRACTICO PROPUESTO 1. Conectar el circuito dc la Figura 2.3. Ajustar P a su valor mínimo. Determinar cl ángulo de conducción del S.C.R. 2. Variar P progresivamente hasta su máximo valor y verificar que el ángulo de conducción es superior en todos los casos a 90º. 3. Montar el circuito de la Figura 2.4 Poner P a su mínimo valor. Medir y anotar en una tabla las formas de onda de VAK, VRL y VGK. Figura 2.8 Alimentación del circuito de control para tensión de C.A. elevadas. Componentes: RLim = 10kΩ, 2W Dzéner = Zéner 12V, 1W VI = 220V, 50Hz Dzéner CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 21 DE 31 4. Fijar los valores de P medio y máximo. Medir y anotar en una tabla las formas de onda en los mismos puntos del punto anterior. 5. Fijar P a su valor máximo y cambiar C por otro condensador de valor 47 nF. Dibujar las formas de onda en los mismos puntos del punto anterior. 6. Montar el circuito de la Figura 2.5 y repetir los puntos 3, 4 y 5. 7. Montar el circuito de la Figura 2.6 y hacer las mismas medidas de los puntos 3, 4 y 5. 8. Repetir el punto anterior para el circuito de la Figura 2.7. CUESTIONES: 1. En el circuito de la Figura 2.4. ¿qué sucede si variamos C? 2. ¿Qué función realizael potenciómetro P? ¿Y el diodo? 3. Comparando el circuito de la Figura 2.5 con el de la Figura 2.4, ¿por qué se ha suprimido el diodo? 4. En el circuito de la Figura 2.6, ¿existe alguna relación entre R y el ángulo de cebado? 5. ¿Qué se regula en el circuito de la Figura 2.7 mediante el potenciómetro? CONCLUSIONES: En los circuitos estudiados, se consigue un control de la potencia media entregada a la carga. En el control de M.O. por S.C.R. la potencia en la carga será la mitad de la potencia de entrada, en el mejor de los casos. El control de S.C.R. por variación del ángulo de conducción se consigue mediante una célula RC, pudiéndose conseguir una variación del ángulo de cebado entre 0º y 180º. En los circuitos de disparo con UJT y PUT se tiene un comportamiento más fiable por la exactitud de su disparo. Adaptando convenientemente el valor de los componentes, es posible utilizar los circuitos vistos anteriormente para cualquier valor de tensión alterna de entrada. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 22 DE 31 Triacs y Diacs 3.1 INTRODUCCIÓN En las prácticas anteriores se ha visto el funcionamiento de un componente el tiristor. que podía utilizarse de muy diversas maneras: • Como interruptor de corriente reemplazando ventajosamente a los contactos mecánicos. • Como rectificador, debido a que es un elemento de funcionamiento unidireccional realizando la función de un diodo. • Como regulador eligiendo convenientemente el momento del cebado podía regularse la potencia media de salida. A pesar de sus posibilidades, presenta un inconveniente estar polarizado, con lo que sólo puede utilizarse con tensiones continuas o pulsatorias sin necesidad de circuitos de rectificación. Para obviar este inconveniente, en corriente alterna se recurre a un nuevo componente, el triac, que es el objeto de esta práctica. 3.2. DESCRIPCIÓN BÁSICA Triacs El triac (triodo de corriente alterna) es un componente con tres terminales y derivado del tiristor, que puede considerarse eléctricamente como dos tiristores en anti-paralelo. Presenta, sin embargo, dos ventajas fundamentales sobre este circuito equivalente: • El circuito de control resulta mucho más sencillo al no existir más que un electrodo de mando. • Puede bascular al estado conductor independientemente de la polaridad de la tensión aplicada al terminal de control. Al igual que ocurría en el tiristor, el paso del estado de bloqueo al estado conductor sólo se realiza por aplicación de un impulso de corriente en el electrodo de mando: y el paso del estado conductor al estado de bloqueo se produce por aplicación de una tensión de polaridad inversa, o por la disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento IH, siendo este último el caso más utilizado. En la Figura 3.1a se representa su estructura interna, formada por seis capas de semiconductor, y en la Figura 3.lb, su símbolo más usual. Los electrodos a los que se aplica la tensión principal a controlar se CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 23 DE 31 les denomina ánodo 2 (A2) o terminal 2, y ánodo l (A1) o terminal 1; al electrodo de control se le les denomina ánodo 2 (A2) o terminal 2, y ánodo l (A1) o terminal 1; al electrodo de control se le denomina puerta (G) o compuerta. Figura 3.1 El triac. (a) Estructura interna (b) Símbolo. El paso de la corriente principal se efectuará entre A2 y A1, siendo el circuito de control el formado por G y A1. Si dividimos la estructura interna del triac según un eje vertical, obtendremos los dos tiristores que lo forman: P2 - N2 - P1 - N1, para tensiones de A2 positivas respecto de A1. P1 - N2 - P2 - N3, para tensiones de A2 negativas respecto de A1. N4 y P1 forman la puerta para las distintas polaridades de este terminal. En la Figura 3.la se puede ver esta división, así como el sentido de circulación de la corriente (representado por una flecha) para ambas mitades del elemento. Si se polariza al triné con una tensión positiva en A1 respecto de A1 con el terminal O al aire, y aumentamos el valor de esta polarización. se obtendrá una curva característica idéntica a la del tiristor en polarización directa, pero al contrario que éste, si se invierte el sentido de esta polarización se observa una curva simétrica de la anterior respecto del origen, tal como se muestra en la Gráfica 3.la. Al igual que ocurría con el tiristor, si el terminal G se conecta a una fuente de tensión respecto de A1, vemos que el momento del cebado del triac se adelanta respecto al anterior. Lo excepcional del triac es que este cebado se produce independientemente del sentido de la tensión aplicada a la puerta. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 24 DE 31 Tomando como referencia el terminal A1 y en función del sentido de las polarizaciones de los circuitos principales y de arranque, cabe hablar de los cuatro cuadrantes de disparo del triac, tal como se ve en la Gráfica 3.1b. Gráfica 7.1. (a) Curvas características del triac. (b) Cuadrantes de disparo. Del análisis de las Gráficas 3.la y 3.lb se deduce que hay tres posibles modos de aplicar el impulso de disparo de un triac: Disparo por impulsos siempre positivos (cuadrantes I y IV). Es la forma; más cómoda si se dispone de una fuente de señal de disparo suficientemente potente, ya que presenta el inconveniente de la menor sensibilidad al cebado del elemento en el cuadrante IV. Disparo por impulsos siempre negativos (cuadrantes II y III). Presenta el inconveniente de la mayor intensidad de cebado requerida en el cuadrante II. Disparo por impulsos alternativamente positivos y negativos (cuadrantes I y III). Es el caso más favorable, sobre todo si la polaridad de los impulsos coincide con la polaridad de la tensión del circuito principal. Por lo visto anteriormente, se trabaja preferentemente con la misma polaridad para la tensión A2 - A1 (V21) que para la tensión G - A1 (VG1) o bien, si silo es posible disponer de impulsos de control de una única polaridad, con impulsos siempre negativos El Diac Si a la estructura de la Figura 3.la se le quita la capa N4 y el terminal de puerta, obtenemos un nuevo elemento compuesto por dos tiristores en anti-paralelo. Dicho elemento está preparado para conducir CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 25 DE 31 en los dos sentidos de sus terminales, y se le conoce como diac, diodo de corriente alterna. En la Figura 3.2a se representa la estructura resultante, y su símbolo, en la 3.2b, siendo d nombre de sus terminales los de A2 y A1. Al igual que en el triac, si dividimos la estructura según un eje vertical, se observan los dos tiristores que lo componen: P2-N2-P1-N1 para V21 > 0. P1-N2-P2-N3 para V21 < 0. Figura 3.2. El diac (a) estructura interna. (b) Símbolo. La curva característica del diac es igualmente simétrica respecto del origen, pero sólo cuenta con una curva, ya que no dispone de terminal de puerta. Otra diferencia respecto del triac es que la tensión a la que se produce el cebado es considerablemente menor y suele estar alrededor de los 30 voltios. Esta curva se representa en la Gráfica 3.1 Debido a su comportamiento bidireccional y a su bajo valor de tensión de cebado, se suele emplear como elemento de disparo de un tiristor o un triac De hecho esta práctica está limitada al control y cebado de un triac mediante el disparo de un diac. Gráfica 3.2. Curva característica del diac. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 26 DE 31 3.3 FUNCIONAMIENTO El principal empleo del triac es como regulador de la potencia media entregada a una carga, pero debido a sus características de conducción bidireccional, sólo será ventajoso respecto al tiristor en aquellas cargas que no requieran rectificación dela corriente alterna: Por ejemplo, lámparas, radiadores eléctricos, etc.; o en aquellas que no puedan ser controladas mediante corriente continua, por ejemplo; motores. Existen dos formas básicas de controlar la potencia entregada a la carga por un triac: Por variación del ángulo de conducción. Por paquetes de semi-ondas a. tensión cero. De estas dos posibles roanas, el presente capitulo trata de la primera de ellas. existiendo una amplia variedad de circuitos integrados específicos para el control de un triac mediante la segunda. Una representación de estas formas básicas se da en la Gráfica 3.3. Gráfica 3.3. Control de potencia con triac. (a) Por variación del ángulo de conducción. (b) Por paquetes de semi-ondas a tensión cero. Control de potencia por variación del ángulo de conducción: Al igual que con el tiristor, el cebado del triac se realiza mediante una célula R-C. que introduce un desfase debido a la constante de tiempo de carga del condensador. En el circuito de la Figura 3.3. se observa que la constante de tiempo está determinada por los valores de R + P y de C. El funcionamiento de este circuito es bastante sencillo. En el semiciclo positivo (A2 positivo respecto a A1), el condensador se carga a través de R + P con la misma polaridad que la tensión entre ánodos. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 27 DE 31 Cuando se alcanza la tensión de cebado del diac, permitiendo que el condensador se descargue y produciendo un impulso de corriente que ceba al triac, la tensión de este último cae prácticamente a cero. aplicando. por tanto, toda la tensión de red a la carga. Durante el semiciclo negativo, el funcionamiento es idéntico al descrito anteriormente. con las polaridades invertidas. La Gráfica 3.4 muestra las formas de onda implicadas en el circuito de la Figura 3.3. Figura 7.3. Control de potencia con triac. Lógicamente, el retraso introducido por el circuito A-C puede ser variado mediante P y con ello, la potencia media que recibe la carga, que como se ha dicho puede ser una lámpara, un radiador eléctrico o un motor de alterna. La resistencia R se ha intercalado en el circuito para asegurar un ángulo de conducción no demasiado alto. Gráfica 7.4. Formas de onda del circuito de la Figura 3.3. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 28 DE 31 En la Gráfica 3.4 se observa que la tensión aplicada en la carga no es igual en todos los semiciclos. siendo menor en el primero de ellos. Esto se debe á la descarga parcial que sufre C en el momento del cebado del triac, con lo que en el siguiente semi-ciclo se alcanzará antes la tensión de cebado del diac, y se conoce con el nombre de histéresis. efecto totalmente indeseable en cualquier circuito de regulación de potencia, ya que no permite una regulación precisa desde el principio, siendo necesario ajustar primero un ángulo de conducción elevado, para posteriormente aumentar P, silo que se pretende es una baja potencia de carga. Figura 3.4. Circuito de control con doble constante de tiempo. Una de las soluciones para evitar en lo posible el efecto de la histéresis es la que se muestra en el circuito de la Figura 3.4, en el que se ha añadido otra célula R-C, la formada por R2 y C2. A este circuito se le conoce con el nombre de control de doble constante de tiempo. Su principio básico de funcionamiento consiste en que cuando C2 alcanza la tensión de cebado de D, ésta no cae tan abruptamente como en el circuito anterior, debido a la recarga parcial de C2 gracias a la corriente procedente de C1. Este mecanismo permite que la reducción de la tensión de C2 sea bastante menor que en el circuito anterior, reduciendo con ello el efecto de la histéresis. Si la carga que se controla es fuertemente inductiva, puede ocurrir que ci desfase de la corriente sobre la tensión de red introducido por la carga sea tal, que el paso por cero de la corriente coincida con una tensión grande aplicada al triac. En estas condiciones, el triac debe variar su tensión entre ánodos desde la tensión de cebado, prácticamente cero hasta algunos cientos de voltios en una fracción de tiempo extremadamente pequeña, pudiendo producirse un nuevo cebado indeseado del triac. El parámetro dVcom/dt, especificada por el fabricante, indica la pendiente máxima de variación de la tensión de paso del estado conductor al estado de no conducción, que es capaz de soportar el triac sin peligro de recebado. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 29 DE 31 En tales casos se debe emplear un circuito de amortiguamiento de la velocidad con que debe crecer la tensión entre extremos del triac, tal como se muestra en la Figura 3.5. Figura 3.5. Uso de una red amortiguadora para evitar el recebado indeseado del triac. Los valores de R y de C de la Figura 3.5 pueden obtenerse de los ábacos mostrados en las Gráficas 3.5a y 3.5b, respectivamente, realizados en función de la corriente eficaz de carga y de la máxima dVcom/dt admisible por el triac. Gráfica 3.5. Ábacos para obtener el valor de la red amortiguadora con VRED = 220V, 50 Hz a) Resistencia R. b) Capacidad C. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 30 DE 31 3.4 CONSIDERACIONES GENERALES • En los circuitos de regulación de iluminación con lámparas de incandescencia, se ha de tener presente, a la hora de elegir el triac, la breve, pero fuerte, corriente que se produce al conectar estas lámparas, debido a la baja resistencia en frío que presentan. La relación entre la corriente de choque y la corriente normal de servido puede llegar a valer 15:1 en lámparas de elevada potencia, siendo una relación normal la de 10:1, para potencias medias y bajas. • Los circuitos de variación del ángulo de conducción pueden producir interferencias de radiofrecuencia en el momento de la conducción, debido a los picos de corriente producidos por la conexión de la carga a una tensión no nula. Para evitar estas interferencias, se puede emplear el filtro mostrado en la Figura 3.6, o cualquier filtro de red comercial. Figura 3.6 Filtro de red contra interferencias. 3.5 TRABAJO PRACTICO PROPUESTO 1) Conectar el circuito de la Figura 3.3. Ajustar P a su valor mínimo. 2) Medir con el osciloscopio, empleando una sonda atenuadora, las formas de onda de VRL de V21 y de VG1, dibujarlas. 3) Repetir el punto 2 para el máximo valor de P. 4) Conectar el circuito de la Figura 3.4. Ajustar P a su mínimo valor. 5) Repetir los puntos 2 y 3. CATEDRA DE ELECTRONICA APLICADA TIRISTORES - PAG. 31 DE 31 CUESTIONES 1) Razonar las ventajas del triac en corriente alterna respecto del tiristor. 2) ¿Qué se entiende por cuadrantes de disparo de un triac? 3) ¿Qué significa diac? ¿Cuál es su utilidad? 4) Enumerar las formas de controlar la potencia entregada a una carga mediante triac, citando las ventajas de cada forma. 5) ¿Qué se conoce por histéresis en un regulador de potencia? ¿Cómo se evita? CONCLUSIONES El triac es el componente que realiza una función análoga al tiristor para corriente alterna. Se puede considerar constituido como dos tiristores en anti-paralelo. pudiéndose «bar con impulsos de puerta en cualquier polaridad. Si a un triac se le quita el terminal de puerta y la capa N4, obtenemos el diac, elemento bidireccional que se ceba cuando la tensión entre sus terminales supera cierto valor, normalmente alrededor de 30 voltios. Los circuitos de regulación de potencia por variación del ángulo de conducción basan su funcionamiento en el retardo sistemático de la señal de disparo mediante células R-C. La histéresis se produce por la reducción de la tensión almacenada en el condensador en el momentodel cebado del triac. Para reducirla se emplean circuitos con doble constante de tiempo.
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