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• Sivoy Mairim

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Concepción, 14 de Octubre de 2015

ELECTRÓNICA DE POTENCIA II CIRCUITOS DE DISPARO

ÍNDICE Introducción ............................................................................................................ 3 Circuitos realizados ................................................................................................. 4 Descripción................................................................................................. 4 Teoría y operación de los SCR ............................................................................... 5 Formas de onda del SCR ........................................................................................ 6 Características de las compuertas de los SCR ....................................................... 7 Estructura ................................................................................................................ 8 Condiciones necesarias para el control de los SCR ...………………………………. 9 Datasheet…………………………………………………………………………………10 Circuito de disparo C.C………………………………………………………………….12 Valores medidos………………………………………………………………...12 Circuito de disparo C.A………………………………………………………………….13 Tabla de valores………………………………………………………………...14 Conclusión………………………………………………………………………………..16

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INTRODUCCIÓN El circuito de disparo o excitación de compuerta de los tiristores, es una parte integral del convertidor de potencia. La salida de un convertidor, que depende de la forma en que el circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutación (tiristores), es una función directa del proceso de cómo se desarrolla la conmutación. Podemos decir entonces que los circuitos de disparo, son elementos claves para obtener la salida deseada y cumplir con los objetivos del “sistema de control”, de cualquier dispositivo de electrónica de potencia. El diseño de un circuito excitador, requiere el conocimiento de las características eléctricas de compuerta del tiristor específico, que se va a utilizar en el circuito principal de conmutación. El objetivo de usar SCR en lugar de diodos, es el de poder activar el dispositivo cuando se deseé y con ello poder controlar el voltaje promedio en la carga. A este tipo de rectificadores se les llama, rectificadores controlados y su parámetro más importante es el ángulo de retardo. Existen múltiples circuitos para generar el retardo deseado en el disparo del SCR, como: redes resistivas, redes RC, disparo lineal, disparo seno-coseno y disparo exponencial. El símbolo esquemático del SCR se presenta en la figura.

En el siguiente informe se mostraran algunos aspectos teóricos generales referente a los circuitos de disparo para los SCR pero se analizara en detalle los dos circuitos de disparo realizados en laboratorio.

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Circuitos realizados: I. II.

Circuito de Disparo en Corriente Continua Circuito de Disparo en Corriente Alterna

Descripción El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales llamados: Ánodo, Cátodo y Gate. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal Gate. Es un elemento unidireccional (un sentido de la corriente único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo. Existen diversos métodos de disparo:     

Por puerta/gate. Por módulo de tensión. (V) Por gradiente de tensión (dV/dt) Disparo por radiación. Disparo por temperatura.

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TEORIA Y OPERACIÓN DE LOS SCR El tiristor (también llamado SCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio) es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones PN con el orden PNPN. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y compuerta (G). La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de compuerta (G). Es un elemento unidireccional, es decir que conduce corriente en un solo sentido.

Figura1. Símbolo esquemático y nombres de las terminales de un SCR.

Un SCR actúa a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. Actúa entonces como un interruptor cerrado. Cuando está apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. Por tanto, actúa como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado sólido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida. El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentado en la figura 2.

Figura2. Relación de circuito entre la fuente de voltaje, un SCR y la carga

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La alimentación de voltaje es comúnmente una fuente de 60-Hz de CA, pero puede ser de CD en circuitos especiales. Si la alimentación de voltaje es de CA, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de CA en el estado ON, y el resto del tiempo en el estado OFF. Para una fuente de 60-Hz de CA, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que está en ON y el tiempo que está en OFF. La cantidad de tiempo que está en cada estado es controlado por el disparador. Si una porción pequeña del tiempo está en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga es pequeña. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, sólo por una porción relativamente pequeña del tiempo. Si la señal de la compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo más largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio será mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a través del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porción del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido. Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semi-ciclos positivos de la fuente de CA. El semi-ciclo positivo es el semi-ciclo en que el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR de la figura 2 no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarización inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga.

FORMAS DE ONDA DE LOS SCR Los términos populares para describir la operación de un SCR son ángulo de conducción y ángulo de retardo de disparo. El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo de CA durante los cuales el SCR esta encendido. El ángulo de retardo de disparo es el número de grados de un ciclo de CA que transcurren antes de que el SCR sea encendido. Por supuesto, estos términos están basados en la noción de que el tiempo total del ciclo es igual a 360 grados. En la figura 3 se muestran las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de retardo de disparo.

Formas de ondas ideales del voltaje de la terminal principal (VAK) y el voltaje de carga de un SCR. Para un ángulo de retardo de disparo de unos 60o, un ángulo de conducción de 120o.

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Al momento que el ciclo de CA inicia su parte positiva, el SCR está apagado. Por tanto tiene un voltaje instantáneo a través de sus terminales de ánodo y cátodo igual al voltaje de la fuente. Esto es exactamente lo que se vería si se colocara un interruptor abierto en un circuito en lugar del SCR. Dado que el SCR interrumpe en su totalidad el suministro de voltaje, el voltaje a través de la carga (VLD) es cero durante este lapso. La extrema derecha de las ondas ilustran estos hechos. Mas a la derecha en los ejes horizontales, se muestra el voltaje de ánodo a cátodo (VAK) cayendo a cero después de aproximadamente un tercio del semi-ciclo positivo. Esto es el punto de 60°. Cuando VAK cae a cero, el SCR se ha "disparado", o encendido. Por tanto, el ángulo de retardo de disparo es de 60°. Durante los siguientes 120° el SCR se comporta como un interruptor cerrado sin voltaje aplicado a sus terminales. El ángulo de conducción es de 120°. El ángulo de retardo de disparo y el ángulo de conducción siempre suman 180°. En la figura 3, la forma de onda del voltaje de carga muestra que, al dispararse el SCR, el voltaje de la fuente es aplicado a la carga. El voltaje de carga entonces sigue al voltaje de la fuente por el resto del semi-ciclo positivo, hasta que el SCR nuevamente se apaga. El estado OFF ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero. En general, estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se dispare, el voltaje es retirado de entre las terminales del SCR, y la carga ve un voltaje cero. Después de haberse disparado el SCR, la totalidad del suministro de voltaje es retirado a través de la carga, y el SCR presenta voltaje cero. El SCR se comporta como un interruptor de acción rápida.

CARACTERÍSTICAS DE LA COMPUERTA DE LOS SCR Un SCR es disparado por un pulso corto de corriente aplicado a la compuerta. Esta corriente de compuerta (IG) fluye por la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR por la terminal del cátodo. La cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se simboliza por IGT. Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA (IGT = 0.1 - 50 mA). Dado que hay una unión PN estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas terminales (VGK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. En la figura 4 se muestran las condiciones que deben existir en la compuerta para que un SCR se dispare.

Fig.Voltaje de compuerta a cátodo (VGK) y corriente de compuerta (IG) necesarios para disparar un SCR.

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Una vez que un SCR ha sido disparado, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. Mientras la corriente continué fluyendo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR permanecerá en ON. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (IAK) caiga por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de voltaje de CA pasa por cero a su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, la IHO es alrededor de 10 mA. En términos generales, los circuitos de disparo para SCR son sencillos. Pero pueden existir muchas variantes según la aplicación que se haga del tiristor. A continuación veremos solamente los circuitos básicos de control de disparo realizados en laboratorio: a) Por Polarización C.D. b) Por Polarización de C.A.

Estructura

 Disparo por gate. Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo. En el trabajo realizado se operó bajo el método mencionado, Disparo por gate

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Condiciones Necesarias Para el control de un SCR

Para el control en el disparo:



Polarización positiva ánodo - cátodo.

La puerta debe recibir un pulso positivo (respecto a la polarización que en ese momento tengamos en el cátodo) durante un tiempo suficiente como para que IA sea mayor que la intensidad de enganche. 

Para el control en el corte:



Anular la tensión que tenemos aplicada entre ánodo y cátodo.

Incrementar la resistencia de carga hasta que la corriente de ánodo sea inferior a la corriente de mantenimiento (IH), o forzar a que IA < IH. 

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DATASHEET El SCR a ocupar en ambos circuitos será el BT151 600R el cual tiene las siguientes características:

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Destacando entre sus características: Voltaje

500v

Corriente de disparo Corriente de mantenimiento

15mA 20Ma

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Circuito de disparo Corriente Continua

Valores Medidos Continua:  Ánodo – Cátodo: 23,55mA  Gate: 6,56mA

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Circuito de disparo Corriente Alterna

Para los cálculos de las mallas se debe saber tener la hoja de datos o conocer el valor Iୋ୘ : Iୋ୘ max =15 mA Sabiendo esto por ley de Ohm hallamos la resistencia que limitara la corriente de la puerta. R2=

ଶଶ଴ିଵ ଵହ୫୅

Donde la fuente de alimentación serán 220 volts a esto restamos el consumo de la puerta Vୋ୘ , que según hoja de datos no es mayor a 1 v; R2=15kΩ Por ley la resistencia variable R1 debe ser diez veces más grande que la R2 (para este circuito) así que se tiene: 15kΩx10 =150kΩ Para el cálculo del condensador: Xc> 10RG =15kΩx10 =150kΩ ଵ ଶగ௙௖

ଵ

= ଶగ.ହ଴௛௭.ଵହ଴௞Ω =21.22nF

Después de obtener los valores comenzamos a armar el circuito.

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Voltaje AC-DC Corriente AC-DC

TABLA DE VALORES Vac Angulo Máximo 125,1 90° 93,9 Angulo Mínimo 32,32

Vdc

CA

CC

82,54

21mA

134mA

36,72

24mA

139mA

3,29

15mA

107mA

Los valores recopilados en la tabla anterior fueron medidos en laboratorio variando en ángulo de disparo, este proceso se realiza mediante el movimiento de la resistencia variable (potenciómetro)

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En La imagen podemos observar la forma de onda en el Angulo mínimo medido según la tabla anterior

Imagen representativa de captura en ángulo a 90°

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CONCLUSIÓN

Los circuitos de disparo cumplen una función muy importante, ya que a través de estos circuitos podemos separar y rectificar un sistema completo, en pocas palabras podemos tener el control de un circuito y no tan solo eso sino que también controlar la potencia suministrada. Esto se consigue a través de un elemento, el cual se le llama SCR el cual se le puede aplicar control, debido que este es un diodo con 3 pines ANODO CATODO Y GATE (puerta en español), el cual si se cumplen los parámetros dados por el fabricante en la puerta GATE conmutara entre ánodo y cátodo y se mantendrá activo si se cumplen las condiciones de corriente necesarias. Este elemento es muy necesario para generar control en los sistemas ya sea de corriente AC o DC, se encuentra presente en la mayoría de las aplicaciones tales como: · Circuitos de retardo de tiempo. · Fuentes de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos. · Controles de motores. · Recortadores. · Inversores. · Ciclo conversores. · Cargadores de baterías. · Circuitos de protección. · Controles de calefacción. · Controles de fase.

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