Circuitos de disparo

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Circuitos de control de disparo
Introducción.- Un circuito de potencia está sujeto a un alto voltaje, por lo general mayor de 100 V, y el circuito de compuerta se mantiene a un bajo voltaje, típicamente hasta 30 V. El aislamiento entre el circuito de potencia y el circuito de generador de impulso de compuerta que por lo general se lleva a cabo mediante transformadores de pulso, o mediante acopladores ópticos.
Clasificación.- Se pueden clasificar en:
Disparo en Corriente Continua “C.C.”.- El disparo es controlado por tensión continua que activa al circuito de potencia, en este caso es un SCR.
Cuando S está abierto, no circula corriente, o sea, IG=0 no hay disparo, el SCR está cortado. Al cerrar S circula IG y el SCR se dispara, o sea conduce y le llaga corriente a la carga haciéndola funcionar (alumbrar si es un bombillo o sonar si es un timbre). Si el interruptor S se vuelve a abrir, el SCR sigue disparado y por lo tanto la carga funcionando. Este es un circuito típico de alarma de C.C.
Ejemplo
Disparo en Corriente Alterna “C.A.”.- El disparo es controlado por tensión alterna que activa el circuito de potencia, en este caso es un SCR.
La lámpara de Neón se usa como dispositivo de disparo. Las lámparas de Neón tienen una elevada resistencia antes del disparo y se excitan o disparan con voltajes de 40 a 90V.
Este circuito es un modelo típico de un “control de fase” ya que el ángulo de conducción en la carga se puede variar con el valor de R. El manual de la RCA Thyristors / Rectifiers nos presenta el siguiente circuito que controla la velocidad de un motor universal.
Ejemplo
Disparo por Impulsos o trenes de onda
Disparo por impulso único.- El disparo de un SCR por impulso único equivale al disparo en c.c.
Circuito de puerta: atacado con un generador de corriente de forma:
	IG debe superar la especificada como mínima, IGT
	El tiemo de subida: lo mas corto posible (de 0.1 a 1 μs)
	Duración de impulso: tal que IGT< IG< IL (IL = I de enganche anódica).
Forma del impulso de corriente en puerta
Disparo por trenes de onda.- Se utilizan para evitar, en c.a. con cargas inductivas, que la corriente en el elemento inductivo persista tras el paso por cero de la 1ª semionda de tensión que produjo el cebado del elemento, no permitiendo el recebado en el siguiente impulso.
Consume poca energía, y facilita el ataque al elemento por transformador aislándolo de los circuitos de control.
En la siguiente figura tenemos un sistema de transferencia de pulsos a la puerta de un tiristor amplificador con un transformador de pulsos de relación de transferencia 1.
Circuito de disparo por trenes de onda
Se trata de un amplificador con un transformador de pulsos de relación de transferencia la unidad. Está formado por:
- T  transistor saturado cuando el pulso p=1, y bloqueado para p=0.
- D1  limita sobretensiones en bornes de T cuando este se bloquea.
- DZ desexcita más rápidamente el transformador de pulsos.
- RC  limita la corriente de colector durante la saturación del TRF. de pulsos.
- D2  bloquea el impulso negativo producido en la desconexión del TRF. de pulsos.
- R2  actúa como una carga definida.
- RG  limita la corriente en puerta.
En la siguiente figura tenemos las formas de ondas idealizadas de este sistema.
Formas de ondas idealizadas.
Tipos de control.-
Control ON-OFF.-Es la regulación más simple y económica, se utiliza en aplicaciones que puedanadmitir una oscilación continua entre dos límites, pero sería necesario que laevolución del proceso sea lento. Muchos reguladores incorporan esta regulaciónbásica y en ocasiones se combinan con otro tipo de controladores utilizándoloscuando el error es grande y cambiando de forma automática a otro controladorcuando el error se aproxima a cero.
La salida del controlador ON-OFF, o de dos posiciones, solo puede cambiar entre dos valores al igual que dos estados de un interruptor. El controlador no tiene la capacidad para producir un valor exacto en la variable controlada para un valor de referencia dado pues el controlador produce una continua desviación del valor de referencia.
La acción del controlador de dos posiciones tiene un simple mecanismo de construcción, por esa razón este tipo de controladores es de los de más amplio uso, y comúnmente utilizados en sistemas de regulación de temperatura.
Los controladores mecánicos de dos posiciones normalmente posee algo de histéresis, por el contrario los controladores electrónicos usualmente funcionan sin histéresis.
La histéresis está definida como la diferencia entre los tiempos de apagado y encendido del controlador.
El usar un controlador de acción de dos posiciones da como resultado una oscilación de la variable controlada, x.
Para determinar la regulación del controlador, son importantes los parámetros amplitud y período de tiempo de la oscilación. La oscilación depende de muchos factores, el período de tiempo está en función del tiempo muerto del sistema y la posible histéresis del controlador.
Control de fase.-El principio de control de fase, se puede explicar así:
El flujo de potencia hacia la carga, queda controlado, retrasado el ángulo de disparo del tiristor T1, se muestra los pulsos de compuerta del tiristor T1, y las formas de onda de los voltajes de entrada y salida.
Debido a la presencia del DiodoD1, el rango de control esta limitado y el voltaje rmsefectivo de salida, solo puede variar entre el 70.7 % y 100 %, el voltaje de salida y la corriente de entrada son asimétricos y contienen una componente de C.D.
Si hay un transformador de entrada, puede ocurrir un problema de saturación.
Este circuito es un controlador monofásico de media onda, adecuado solo para cargas resistivas de poca potencia, como lo son la calefacción y la iluminación. Dado que el flujo de potencia esta controlado durante un semiciclo del voltaje de entrada, este tipo de controlador también se conoce como controlador unidireccional
Graficas
Dispositivos para generación de controles de compuerta.-
El DIAC.-Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente.
Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.
Existen dos tipos de DIAC:
DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockleyconectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.
Su aplicación principal es como dispositivo de disparo del TRIAC como control de fase.
SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER).- El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.
Construcción y símbolo
GTO (GateTurn-off Thyristor).- Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”.
IGCT.- Un Tiristor Controlado por Puerta Integrada o simplemente Tiristor IGCT (del inglés IntegratedGate-CommutatedThyristor)es un dispositivo semiconductor empleado en electrónica de potencia para conmutar corriente eléctrica en equipos industriales. Es la evolución del Tiristor GTO (del inglés GateTurn-Off). Al igual que el GTO, el IGCT es un interruptor controlable, permitiendo además de activarlo, también desactivarlo desde el terminal de control Puerta o G (del inglés Gate). La electrónica de control de la puerta está integrada en el propio tiristor.
IGBT.- El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés InsulatedGate Bipolar Transistor)
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.
Circuito equivalente
El transistor unijuntura UJT.-Su estructura consiste en una barra de silicio tipo N ligeramente dopada que tiene dos terminales B1 y B2 llamados bases y una barra de aluminio fundida en la superficie opuesta formando una juntura PN. La barra de aluminio está más cerca de B2 que a B1.
Símbolo, estructura y curva característica de un UJT
El circuito equivalente del UJT es el representado en la siguiente figura, para su estudio definimos:
− VBB: Tensión interbase.
− rBB: Resistencia interbase⇒rBB =rB1+rB2
− VE: Tensión de emisor.
− IE: Intensidad de emisor.
− VB2: Tensión en B2, (de 5 a 30 V para el UJT polarizado).
− VP: Tensión de disparo⇒ VP= VrB1+ VD
− IP: Intensidad de pico (de 20 a 30 μA.).
− VV: Tensión de valle de emisor
− IV: Intensidad valle del emisor.
− VD: Tensión directa de saturación del diodo emisor (de 0,5 y 0,7 V).
− μ : Relación intrínseca (de 0,5 a 0,8) ⇒
Circuito equivalente del UJT
Funcionamiento del UJT
El punto de funcionamiento viene determinado por las características del circuito exterior. El funcionamiento del UJT se basa en el control de la resistencia rB1B2 mediante la tensión aplicada al emisor.
Si el emisor no está conectado ó VE< VP⇒ Diodo polarizado inversamente ⇒ no conduce ⇒ IE = 0.
Si VE ≥ VP⇒ Diodo polarizado directamente ⇒ conduce ⇒ aumenta IE.
Cuando IP< IE< IV⇒ entramos en una zona de resistencia negativa donde rBBvaria en función de IE.
A partir del punto de funcionamiento, si IE disminuye hasta alcanzar un valor inferior a IVel diodo se polariza inversamente.
Se suele usar para el disparo de tiristores o en el diseño de osciladores de relajación.
El oscilador de relajación.-
Circuito que sirve para generar señales para dispositivos decontrol de potencia como Tiristores o TRIACs
El capacitor se carga hasta llegar al voltaje de disparo del transistorUJT, cuando esto sucede este se descarga a través de la unión E-B1.
El capacitor se descarga hasta que llega a un voltaje que se llama de valle (Vv) de aproximadamente 2.5 Voltios.
Con este voltaje el transistor UJT se apaga (deja de conducir entre E y B1) y el capacitor inicia su carga otra vez. (Ver la línea verde en el siguiente gráfico)
El gráfico de línea negra representa el voltaje que aparece en el resistor R3 (conectado entre B1 y tierra) cuando el capacitor se descarga.
Si se desea variar la frecuencia de oscilación se puede modificar tanto el capacitorC como el resistor R1. R2 y R3 también son importantes para encontrar la frecuencia de oscilación.
La frecuencia de oscilación está aproximadamente dada por: 
F = 1/R1C
Es muy importante saber que R1 debe tener valores que deben estar entre límites aceptables para que el circuito pueda oscilar. Estos valores se obtienen con las siguientes fórmulas:
R1 máximo = (Vs - Vp) / Ip
R1 mínimo = (Vs - Vv) / Iv
donde:
Vs = es el valor del voltaje de alimentación (en nuestro circuito es de 20 Voltios)
Vp = valor obtenido dependiendo de los parámetro del UJT en particular
Ip = dato del fabricante
Vv =dato del fabricante
Iv = dato del fabricante
Franz David Vedia Díaz			 Ing. Eléctrica