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• Karlita M.

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CIRCUITOS DE DISPARO. 2.1 El pulso de disparo. 2.2 Circuito de disparo convencional. 2.3 Circuitos de disparo con resistencia negativa. 2.4 Elementos de disparo. (SBS, UJT, PUT) Bibliografía Electrónica Industrial Moderna de Maloney 5ta Edicion (capitulo 4)

CRITERIO DE DESEMPEÑO Compara las características de disparo; identificando circuitos de disparo por tiempo, nivel, frecuencia y estado; diseñando circuitos de disparo y realizando la implementación de aplicaciones con circuitos de disparo. 2.1 El pulso de disparo: El pulso de disparo es el pulso de activación de compuerta del circuito de control de compuerta. Un SCR es disparado por una pequeña ráfaga de corriente que se aplica en la compuerta. Esta corriente de compuerta (iG) fluye a través de la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR en la terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza como IGT. La mayor parte de los SCR necesitan una corriente de compuerta de entre 0.1 y 50 mA para dispararse (IGT=0.1 -50 mA). Dado que existe una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre esas terminales (VGK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. La figura 4-4 muestra las condiciones que deben existir en la compuerta para que el SCR se dispare. Una vez que un SCR se ha disparado, no es necesario continuar el flujo corriente de compuerta. Mientras la corriente continúe su flujo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR permanecerá encendido. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (iAK) cae por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO, el SCR se apagará.

Esto ocurre a menudo cuando el voltaje de alimentación ca atraviesa cero hacia su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, IHO es aproximadamente 10 mA.

EJEMPLO Para el circuito de la figura 4-5, ¿qué voltaje se requiere en el punto X para disparar el SCR? La corriente de compuerta necesaria para disparar un 2N3669 es 20 mA bajo condiciones normales. Solución. El voltaje entre el punto X y el cátodo debe ser suficiente para polarizar directamente la unión entre los puntos Gy K, y también ocasionar que 20 mA fluyan a través de 150 Ω. El voltaje de polarización directa es de cerca de 0.7 V. Con base en la ley de Ohm VXG =(20mA) (150 Ω) =3.0 V. Por tanto, el voltaje total = 3.0 +0.7 =3.7 V.

2.2 Circuito de disparo convencional. El tipo más simple de circuito de control de compuerta, algunas veces denominado circuito de disparo, se muestra en la figura

En la figura si la alimentación es ca, la operación es como sigue. Cuando se abre el interruptor, es imposible tener un flujo de corriente al interior de la compuerta. El SCR nunca podrá encenderse, de forma que es esencial un circuito abierto en serie con la carga. Por tanto, la carga se desactiva.

Cuando se cierra SW, existirá corriente hacia la compuerta cuando el voltaje de alimentación pase a positivo.

El ángulo de retardo de disparo lo determina el valor de R2, la resistencia variable. Si R2 es baja, la corriente de compuerta será suficientemente grande para disparar el SCR cuando el voltaje de alimentación sea bajo. Por tanto, el ángulo de retardo de disparo será pequeño, y la corriente de carga promedio será grande. Si R2 es alta, el voltaje de alimentación debe ascender más alto para suministrar suficiente corriente de compuerta para disparar el SCR. Esto incrementa el ángulo de retardo de disparo y reduce la corriente de carga promedio. El propósito de R1 es mantener cierta resistencia fija en la terminal de la compuerta aun cuando R2 se ajuste a cero. Esto es necesario para proteger la compuerta de corrientes excesivas. R1 también determina el ángulo mínimo de retardo de disparo. En algunos casos se inserta un diodo en serie con la compuerta para proteger la unión compuerta-cátodo en contra de voltajes inversos altos.

Una desventaja de este simple circuito de disparo es que el ángulo de retardo de disparo es ajustable sólo desde aproximadamente 0º a 90º. Esto se puede comprender mediante la figura líneas más abajo, la cual muestra que la corriente de compuerta tiende a ser una onda senoidal en fase con el voltaje a través del SCR.

En la figura (a), iG apenas alcanza a IGT, la corriente de compuerta necesaria para disparar el SCR. Bajo esta circunstancia el SCR se dispara a 90º dentro del ciclo. Se puede ver que si iG fuera más pequeña, el SCR en lo absoluto se dispararía (no dispara). Por tanto, los retardos de disparo por encima de 90º no son posibles con tal circuito de control de compuerta.

En la figura (b), iG es un poco más grande. En este caso, iG alcanza a IGT relativamente temprano en el ciclo, lo que ocasiona que SCR se dispare antes. Se debe entender que las formas de onda iG de la figura son ideales. Tan pronto como el SCR de la figura se dispare, el voltaje del ánodo a cátodo cae casi a cero (en realidad de 1a 2 V para la mayoría de los SCR). Dado que el voltaje de compuerta se deriva del voltaje de ánodo a cátodo, también cae virtualmente a cero, cortando la corriente de compuerta. Además, dado que la compuerta es polarizada inversamente cuando la alimentación ca es negativa, en realidad no existe corriente de compuerta negativa como lo muestra la figura. En realidad entonces, la curva iG es una onda senoidal en fase con el voltaje de alimentación sólo en la región entre 0º y el punto de disparo. En las otras ocasiones iG es cercana a cero.

Falta un punto más por mencionar.

Antes del disparo, la forma de onda VAK es virtualmente idéntica a la forma de onda de alimentación ca, debido a que la caída de voltaje a través de la carga en la figura es insignificante antes del disparo. El voltaje en la carga es tan pequeño debido a que la resistencia de carga en tales circuitos es mucho más baja que la resistencia en el circuito de control de compuerta. La resistencia de carga es casi siempre menor a 100 Ω y a menudo menor a 10 Ω. La resistencia fija en el circuito de control de compuerta es por lo general de varios miles de ohms. Cuando estas dos resistencias están unidas en serie, como lo están antes del disparo, el voltaje a través de la pequeña resistencia de carga es naturalmente muy bajo. Esto ocasiona que casi el voltaje de alimentación completo aparezca a través de las terminales del SCR.

EJEMPLO

Para la figura, asuma que la alimentación es de 115 V rms, IGT=15 mA, y R1 =3 kΩ. Se pretende que el retardo de disparo sea de 90º. ¿A qué valor se debe ajustar R2? Solución. A 90º, el voltaje de alimentación instantánea es (115 V) (1.41) =162 V Sin tomar en consideración la caída de voltaje y la caída de 0.7 V a través de la unión compuerta-cátodo (ambas son despreciables comparados con 162 V), la resistencia total en la terminal de la compuerta está dada por 162 V / 15 mA =10.8 kΩ Por tanto, R2 =10.8 kΩ-3 kΩ=7.8 kΩ

EJEMPLO

En la figura, si la resistencia de la carga es 40 Ω y la alimentación es 115 V rms (103.5 Vprom),* ¿qué tanta potencia promedio se consume en el SCR cuando el ángulo de retardo de disparo es 0º? Suponga que el voltaje directo a través del SCR es constante en 1.5 V cuando se enciende y esa corriente inversa de fuga a través de SCR es tan pequeña como para ser considerada (la corriente inversa de fuga es menor que 1 mA para la mayoría de los SCR). *Recuerde que Vprom = (0.90)Vrms Solución. Dado que la potencia consumida en el SCR es cero durante el medio ciclo negativo (la corriente de fuga inversa es despreciable), la potencia promedio general será la mitad de la potencia promedio del medio ciclo positivo. La potencia promedio consumida durante el medio ciclo positivo es igual al voltaje directo, VT, multiplicado por la corriente directa promedio durante el medio ciclo positivo (ITprom): P(+mitad) =(VT)(ITprom) ITprom = (103.5 V-1.5 V)/ 40 Ω=2.55 A P(+mitad) =(1.5 V)(2.55 A) =3.83 W Pprom = (½) (3.83 W) =1.91 W 2.3 Circuitos de disparo con resistencia negativa. Capacitores para retardar el disparo El método más simple para mejorar el control de compuerta es agregar un capacitor al final de la resistencia de terminal de compuerta, como se muestra en la figura. La ventaja de este circuito es que el ángulo de retardo de disparo se puede ajustar más allá de los 90º. Esto se puede entender si nos centramos en el voltaje a través del capacitor C. Cuando la alimentación ca es negativa, el voltaje inverso a través del SCR es aplicado al circuito disparador RC, con lo que carga negativamente al capacitor en la placa superior y positivamente en la inferior.

Cuando la alimentación ingresa a su medio ciclo positivo, el voltaje directo a través del SCR tiende a cargar a C en la dirección puesta. Sin embargo, la acumulación de voltaje en la nueva dirección se retrasa hasta que la carga negativa se elimine de las placas del capacitor. Este retraso en la aplicación de voltaje positivo en la compuerta se puede extender más allá del punto de 90º. Cuanto mayor sea la resistencia del potenciómetro, más tardará C en cargar positivamente en la placa superior y SCR menos en dispararse. Esta idea se puede extender al usar cualquiera de los circuitos disparadores de la figura. Ahora bien, en la figura, un resistor ha sido insertado en la terminal de compuerta, lo que requiere que el capacitor se cargue más alto que 0.6 V para disparar el SCR. Con el resistor colocado, el voltaje del capacitor debe alcanzar un valor suficientemente grande para forzar corriente suficiente (IGT) a través del resistor y al interior de la terminal de la compuerta. Dado que C ahora debe cargarse un voltaje más alto, la activación se retrasa aún más.

La figura (b) muestra una red RC doble para el control de compuerta. En este esquema, el voltaje retardado a través de C1 se utiliza para cargar a C2, lo que da como resultado un retraso aún mayor en la acumulación del voltaje de compuerta. Los capacitores en la figura por lo general caen en el rango de 0.01 a 1 µF. Para determinados tamaños de capacitores, el ángulo mínimo de retardo de disparo (corriente de carga máxima) está establecido por los resistores fijos R1 y R3, y el ángulo máximo de retardo de disparo (corriente de carga mínima) se establece en gran parte por el tamaño de la resistencia variable R2. Los fabricantes de SCR proporcionan curvas detalladas para ayudar al dimensionamiento de resistores y capacitores para los circuitos de control de compuerta de la figura. En términos generales, cuando estos circuitos de control de compuerta se utilizan con una alimentación 60 Hz ca, la constante de tiempo

del circuito RC debe caer en el rango de 1-30 ms. Es decir, para el circuito RC de la figura (a), el producto (R1+R2) C debe caer en el rango de 1 x10-3 a 30 x10-3. Para el circuito doble de compuerta RC de la figura 4-9(b), (R1+R2)C1 debe caer en algún lugar dentro de tal rango, y del mismo modo R3C2. Este método de aproximación siempre ocasionará que el comportamiento de disparo esté dentro del estimado correcto. El comportamiento exacto deseado de disparo puede ajustarse al variar estos tamaños aproximados de componentes.

EJEMPLO Suponga que se ha decidido utilizar C1= 0.068 µF y C2 = 0.033 µF en el circuito de control de compuerta de la figura (b). (a) Aproxime los tamaños de R1, R2 y R3 para proporcionar un rango amplio de ajuste de disparo. (b) Si entonces usted construye el circuito y descubre que no podrá ajustar el ángulo de retardo de disparo a menos de 40º, ¿qué resistor cambiaría experimentalmente para permitir un ajuste por debajo de 40º? Solución. (a) La constante de tiempo (R1+ R2)C1 debe caer en el rango de aproximadamente 1 *10-3 a 30 *10-3 Para proporcionar un rango amplio de ajuste, la constante de tiempo debe ser ajustable sobre una gran parte de ese rango. Como una estimación, podemos tratar un rango de ajuste de 2 *10-3 a 25 *10-3.

La constante de tiempo mínima ocurre cuando R2 está completamente ajustado hacia un extremo, así que El tamaño estándar más cercano es 27 kΩ. (R1 +0)(0.068*10-6)=2*10-3 R1 =29.4 kΩ La constante de tiempo máxima (y retardo de disparo máximo) ocurre cuando R2 está completamente ajustado hacia el otro extremo, así que El tamaño estándar de potenciómetro más cercano es 250 kΩ. La experiencia ha demostrado que la segunda constante de tiempo, R 3C2, debe caer en algún lugar hacia el extremo inferior del rango sugerido. Permítanos asumir 5ms. Por tanto, (R3)(0.033*10-6) =5 *10-3 R3 =aproximadamente 150 kΩ (b) Ya sea R1 o R2 deben hacerse más pequeños para permitir ángulos de retardo de disparo más bajos, debido a que los capacitores se cargarán más rápido con resistores más pequeños (constantes de tiempo más pequeñas). Usted probablemente primero probaría R2. Uso de un dispositivo de transición conductiva en la terminal de compuerta Los circuitos de las figuras 4-6, 4-8 y 4-9 comparten dos desventajas: 1. Dependencia de la temperatura. 2. Comportamiento de disparo inconstante entre SCR del mismo tipo. En relación con la primer desventaja, un SCR tiende a disparar una corriente de compuerta más baja cuando su temperatura es más alta (I GT es disminuida). Por tanto, con cualquiera de los circuitos disparadores analizados hasta aquí, un cambio en la temperatura produce un cambio en el ángulo de disparo y un cambio consiguiente en la corriente de carga. Esto es inaceptable en muchas situaciones industriales. El segundo problema es que los SCR, al igual que los transistores, presentan una amplia dispersión de características eléctricas dentro de un lote. Es decir, dos SCR de un tipo determinado pueden mostrar grandes diferencias en cuanto a las características. La variación en IGT es la más seria de estas diferencias.

La figura muestra la forma como pueden eliminarse estas dificultades. El diodo de cuatro capas de la figura tiene un voltaje de transición conductiva determinado. Si el voltaje a través del capacitor está por debajo del punto de transición conductiva, el diodo de cuatro capas actúa como un interruptor abierto. Cuando el voltaje del capacitor se eleva al punto de transición conductiva, el diodo de cuatro capas se dispara y actúa como un interruptor cerrado. Esto produce una ráfaga de corriente al interior de la compuerta, lo que proporciona una acción de disparo segura del SCR.

Las ventajas del diodo de cuatro capas son que es relativamente independiente de la temperatura y que el voltaje de transición conductiva se puede mantener consistente de una unidad a otra. Por tanto, las imperfecciones del SCR no son de importancia, dado que es el diodo de cuatro capas el que determina el punto de disparo. 2.4 Elementos de disparo. (SBS, UJT, PUT)