2011 SEXTA UNIDAD : CIRCUITOS DE DISPARO Felipe Isaac Paz Campos UNI 05/07/2011 CAPÍTULO 10 CIRCUITOS DE DISPAROS CO
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2011
SEXTA UNIDAD : CIRCUITOS DE DISPARO
Felipe Isaac Paz Campos UNI 05/07/2011
CAPÍTULO 10 CIRCUITOS DE DISPAROS CON UJT Y PUT 10.1 Introducción En el capítulo 9 se estudió el tiristor y las diferentes formas de activación de este. Una de las formas más sobresalientes de activación del tiristor es mediante un pulso o tren de pulsos en la compuerta, cumpliendo ciertos requerimientos o especificaciones. En este capítulo se va a estudiar dos dispositivos utilizados para el diseño de estos circuitos de disparo, el UJT y PUT. 10.2 Circuitos de dispara con el UJT. El transistor UJT (transistor de unijuntura - unijunction transistor) es un dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores. Es un dispositivo de disparo. Es un dispositivo que consiste de una sola unión PN. Físicamente el UJT consiste de una barra de material tipo N con conexiones eléctricas a sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexión hecha con un conductor de aluminio (E) en alguna parte a lo largo de la barra de material N. En el lugar de unión el aluminio crea una región tipo P en la barra, formando así una unión PN. El bajo costo por unidad, combinado con las características excelentes del dispositivo, han garantizado su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Algunas incluyen osciladores, circuitos de disparo, generadores de diente de sierra, control de fase, circuitos temporizadores, redes biestables y fuentes reguladazas de voltaje o corriente.
10.3 Símbolo En la figura 10.1 se muestra el símbolo del transistor UJT y circuito eléctrico equivalente. B2
B2 RB2
IE E
E RB1 B1 a.-Símbolo UJT B1 b.-Circuito equivalente UJT Figura 10.1
10.4 Curva característica VE-IE del UJT. En la figura 10.2 se muestra la curva característica I-V del UJT, además se muestran las zonas de operación. VE Región de corte
Vp
Región activa
Región de saturación
Vv Ip Iv Figura 10.2
IE
Vp: Voltaje pico Vv: Voltaje de valle Ip: Corriente pico Iv: Corriente de Valle Región de corte. En esta región, la tensión de emisor es baja de forma que la tensión intrínseca mantiene polarizado inversamente el diodo emisor. La corriente de emisor es muy baja y se verifica que VE IV). Si no se verifica las condiciones del punto de valle, el UJT entrará de forma natural en la región de corte. 10.5 Activación y desactivación del UJT.
En la figura 10.3 cuando IE= 0A (UJT desactivado)
RBB RB1 RB 2
(10.2) El resistor RB1 alcanza su máximo valor. VBB xRB1 (10.3) VRB1 VBB RB1 RB 2 Donde: RB1 RB1 (10.4) RB1 RB 2 RBB : Relación intrínseca (dato dado por el fabricante). Para activar al UJT se necesita que: VE V p VBB VD (10.5) Una vez que el UJT está activado el resistor RB1 alcanza su mínimo valor. 9.6 Circuito práctico para generar pulsos con el UJT. El circuito mostrado en la figura 9.4 es el que se emplea para generar los pulsos con el UJT. La terminal de salida (Vo) se conecta a la compuerta del SCR para activar a este. V
R1 VC Vo C R2
B2 RB2
IE E
Figura 10.4 RBB
+
VRB1 -
RB1 B1
Figura 10.3
VBB
Funcionamiento del circuito: Para explicar el funcionamiento del circuito de la figura 10.4, se dibuja el circuito eléctrico de este y a partir del circuito eléctrico deducimos las ecuaciones, figura 10.5.
92
V
Cuando se aplica el voltaje de alimentación V en DC, se carga el capacitor C a través de la resistencia R1, dado que el emisor del UJT está en estado abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es τ1=R1C. Cuando el voltaje del emisor VE, el mismo voltaje del capacitor llega a un valor pico (Vp), se activa el UJT y el capacitor se descarga a través de (RB1+R2) a una velocidad determinada por la constante de tiempo τ2= (RB1+R2)C. τ2 es mucho menor que
B2 RB2
Vp
IE
V’
E RB1 +
R2Vo -
Figura 10.5
Para garantizar que el UJT trabaje en la zona activa se debe garantizar que: V Vv Iv
V Vp
R1
(10.6)
Ip
Cuando IE=0A (UJT apagado) Vo
Vo '
R B1
V ( R2 ) R B 2 R2
(10.7)
Cuando el condensador alcanza
Vp
V
VD
(10.8) Cuando el UJT alcanza el VP este se activa (UJT encendido). Vo Vo ' '
V ' R2 RB1 R2
(V p 0.7V ) R2
(10.9)
RB1 R2
Las formas de onda en el condensador y en la salida se muestran en la figura 10.6. VC
reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga. El voltaje de disparo (Vo) debe diseñarse lo suficientemente grande para activar el SCR y el ancho del pulso debe de ser mayor que ton del tiristor. El periodo de oscilación, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación V. La resistencia entre bases RBB tiene valores en el rango de 5kΩ y 10kΩ y R2 decenas de Ω. La ecuación general para el tiempo de carga es: VC Vv (V Vv )(1 e t / R1C ) (10.10)
VC
V Vp
VC
R1C=τ1
(R2+RB1)C=τ2 Vv t
Vv V Vv
V
Vp
Vp V V Vv
Vo Vo’
t t1
t2 T
Figura 10.6
(V Vv )e
t / R1C
)
t / R1C
(10.11) (10.12)
t1 / R1C
V (V Vv )e
e
t1 / R1C
(10.13)
t1 / R1C
V Vp
Aplicando logaritmos a V Vv ambos lados de la ecuación: V Vp ln e t1 / R1C ln V Vv
e
Vo’’
(V Vv )e
Cuando VC=Vp y t = t1 Entonces: VC
0V
0V
τ1. Cuando el voltaje del emisor VE se
93
t1 R1C
ln
V Vp V Vv
De aquí se obtiene:
V Vp
(10.14) V Vv La ecuación general para el tiempo de descarga es: t1
R1C ln
VC
Vpe
t /( RB1 R2 )C
(10.15)
Cuando VC=Vv en t= t2
Vv
Vp e
t2 /( RB1 R2 )C
(10.16)
Entonces:
e
Vv Vp
t 2 /( RB1 R2 ) C
(10.17)
1
f osc
R1C ln(
t 2 /( RB1 R2 ) C
( RB1 t2
t2 R2 )C
ln
ln
12V
R1 47kΩ
Vv Vp
Vv Despejando t2 Vp
V R2 )C ln v Vp
( RB1
(10.20)
En muchas ocasiones t1>>t2, entonces: V Vp (10.21) T t1 R1C ln V Vv Debido a que V>>Vv resulta: V 1 (10.22) T t1 R1C ln R1C ln V
T
R1C ln
Entonces:
Vv
1
VP V
VP ignorando la caída VD V 1
1
0.1pF
R2 Vo 100Ω
Figura 10.7
(10.19)
1 T
Además
C
(10.18)
T t1 t2 f osc
)
1
10.7 EJEMPLOS 10.A Ejemplo # 1. Para el circuito mostrado en la figura 10.7: a) Encuentre RB1 y RB2 con IE= 0A. b) Determine Vp. c) Verifique si el UJT está funcionando en la zona activa. d) Determine fo. e) Grafique las formas de onda VC y Vo. Datos: 0.65 ; Vv = 1.1V; Iv= 8mA; Ip = 15µA; RB1= 150Ω durante la fase de disparo; RBB= 12KΩ.
Aplicando logaritmos a ambos lados de la ecuación (10.17):
ln e
(10.24)
1
(10.23)
Solución: a) De la ecuación (10.4) se obtiene: RB1 RB1 0.65 RB1 RB 2 RBB Entonces:
RB1 0.65 xRBB 0.65 x12 k
7.8k
b) De la ecuación (10.5): Vp V VD 0.65 x12V 0.7V
8.5V
c) De la ecuación (10.6) se obtiene: V Vp V Vv R1 Iv Ip 12V 1.1V 12V 8.5V R1 8mA 15 A Por tanto:
1.363 k
R1
233 .33k
94
d) De la ecuación (10.20): f osc
De la ecuación (10.9):
1 T
Vo ' '
Para calcular T ecuación (10.19): T t1 t 2 Para calcular T se necesita calcular t1 y t2 De la ecuación (10.14): V Vp t1 R1C ln V Vv 12V 1.1V t1 47k x0.1 F ln( ) 5.38ms 12V 8.5V De la ecuación (10.18): Vp t 2 ( RB1 R2 )C ln Vv t2
(150
100 )0.1 F ln(
8.5V ) 1.1V
t 2 51 .12 s Entonces: T t1 t2 5.38 ms 51 .12 s
f osc
V ' R2 RB1 R2
(Vp 0.7V ) R2 RB1 R2
100Ω
+ VL
470Ω
-
100W
R1
5W
1kΩ
V1
-170/170V
R3
R4
100kΩ
1kΩ
+
60 Hz
Vs
10V
Vo -
5.431 ms
1 184.12Hz 5.431ms
0.01uF
R2
100Ω
Figura 10.9
VC 12V 8.5V
Solución: a) De la ecuación (10.5) se obtiene:
R1C=τ1
(R2+RB1)C=τ2 1.1V
Vo 3.12V 0.1V t2 T Figura 10.8
Para UJT desactivado: De la ecuación (10.7): 12V ( R2 ) RB1 RB 2 R2
Para UJT activado:
12V (100 ) 12 k 100
xV1
Vp
0.6 x10V
t1
t t1
Vp
0.7V 0.7V
6.7V
b) De la ecuación (10.20): 1 f osc T De la ecuación (10.19): T t1 t2 De la ecuación (10.14):
t
0V
Vo '
3.12 V
Ejemplo # 2. Para el circuito mostrado en la figura 10.9: a) Calcule Vp b) Calcule fosc. c) Dibuje los formas de onda: V1, Vo y VL. Datos: 0.6 ; Vv = 1V; Iv= 5mA; Ip = 10µA; RB1= 200Ω durante la fase de disparo y RBB=5kΩ
e)
0V
(8.5V 0.7V )100 150 100
0.1V
( R1
R3 )C ln(
V V
Vv ) Vp
R3 es una resistencia que varía desde 0Ω hasta 100kΩ, esto significa que el oscilador tendrá un amplio rango de frecuencias, por lo que se calcula el valor mínimo y máximo de estas frecuencias. Para esto se determina primeramente los valores de R3 para que el UJT siempre esté en la zona activa. 95
10V 1V 5mA
R1
10V 6.7V 10 A
R3
c)
1.8k R1 R3 330 k Esto significa que R3 puede tomar valores desde 0.8kΩ hasta 100kΩ. Entonces: Para R3 = 0.8kΩ : De la ecuación (10.14): V Vv t1 ( R1 R3 )C ln( ) V Vp 9V ) 18.1 s 3.3V De la ecuación (10.18): t1
1.8k x0.01 F ln(
t2
( RB1
t2
R2 )C ln
t1
f oscmáx
t2
1 23 .831 s
5.71
s
23 .83
t1
( R1
R3 )C ln(
t1 101k x0.01 F ln( t2
( RB1 R2 )C ln
t2
(200
9V ) 1ms 3.3V
Vp
100 )0.01 F ln(
6.7V ) 5.71 s 1V
T t1 t2 1ms 5.71 s 1ms f osc min
1 1ms
1kHz
Para una frecuencia De 1ms serán 8 pulsos Como éste para cada ciclo De la señal de entrada.
5.71µs
t
s 8.33ms
16.67ms
Figura 10.10
Para UJT desactivado: De la ecuación (10.7): 10VxR2 10Vx100 Vo ' RB1 RB 2 R2 5k 100 Para UJT activado: De la ecuación (10.9): Vo ' '
Vv
t
170V
0V
V Vv ) V Vp
16.67ms
VL
41 .96 kHz
Para R3 = 100kΩ: De la ecuación (10.14):
8.33ms
Vo
0V
Vv
18 .1 s
0V
0.2V
Vp
Entonces: T
10V
2V
6.7V 100 )0.01 F ln( ) 5.71 s 1V
(200
V1
V ' R2 RB1 R2
(Vp 0.7V ) R2 RB1 R2
t
0.2V
(6.7V 0.7V )100 200 100
10.8 CIRCUITOS DE DISPAROS CON PUT. El transistor unijuntura programable (Programmable Unijunction Transistor, PUT) es un dispositivo compuesto de 4 capas semiconductoras, similar a un SCR. Sin embargo, el disparo del mismo es respecto del ánodo en vez del cátodo. Mediante un divisor de tensión resistivo se establece precisamente la tensión de disparo (tensión de pico, Vp, del PUT). Los PUTs se utilizan casi exclusivamente 96
2V
para control de fase en circuitos de rectificación controlada, y en algunos casos, se los utiliza como osciladores.
Punto de pico
VAk Región de corte
Figura 10.11
En la figura 10.11 puede verse que el PUT es como un SCR disparado por ánodo, esto es, si la compuerta se hace negativa respecto del ánodo, el dispositivo pasará del estado de bloqueo (o de corte) al estado de conducción. Una característica interesante que presenta este dispositivo es que tiene una región o zona de trabajo de resistencia negativa. Cuando la tensión entre ánodo y cátodo, VAk, supera a la tensión de pico Vp (la cual es programada mediante el divisor resistivo; R1, R2), el dispositivo entra en conducción, con lo cual cae la tensión VAk y aumenta la corriente. Esto ocurre hasta que se llega a la tensión de valle (Vv), el cual es un punto estable de operación. De esta forma, se obtiene la región de resistencia negativa, delimitada entre los puntos de pico y de valle. Esto puede verse claramente en la figura 10.12.
Región de resistencia negativa Punto de Valle
10.9 Operación del PUT: El PUT tiene 3 terminales, un ánodo (A), un cátodo (K) y una compuerta (G). El símbolo eléctrico del PUT y su correspondiente circuito equivalente se ven en la figura 9.11.
Vp VF Vv
Ip Iv IF Figura 10.12
IA
La tensión de pico Vp es esencialmente la misma que la tensión de referencia del divisor de tensión, excepto por la caída de tensión en la juntura de la compuerta. Una de las aplicaciones típicas de este dispositivo es en un oscilador de relajación, como el de la figura 9.13. Para analizar más fácilmente como funciona este circuito, es conveniente hablar del equivalente de Thevenin para la fuente de tensión externa y el divisor resistivo, aplicado en la compuerta. Estos parámetros quedan definidos: VG
R1 (VS ) R1 R2
(10.25)
Rg
R1 xR2 R1 R2
(10.26)
VG
Donde:
(10.27)
VS R1 R1
R2
(10.28)
Las corrientes de pico, Ip, y de valle, Iv, dependen de la impedancia equivalente en la compuerta, Rg, y de la tensión de alimentación Vs. Por lo tanto, la curva característica del PUT es sensible
97
respecto de variaciones en Rg y Vs. VS
R R1 A G C
K
+ Vo -
R2
Por supuesto, VK llegará al valor pico al mismo tiempo, debido a la breve pero alta corriente. El voltaje VG caerá rápidamente de VG a un nivel un poco mayor de 0V. Cuando el voltaje del condensador cae a un nivel bajo, el PUT nuevamente se apagará y se repetirá el ciclo de carga. El efecto sobre VG y VK se muestra en la figura 10.14. VA
RK
Vp
Figura 10.13
t VK
La red RC compuesta por R y C controla la frecuencia de oscilación junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por:
T
T
ηVS
1 f osc RC ln(
VK=VA-Vv
t VG
T
T
(10.29) VK’
VS VS V p
)
RC ln(1
R2 ) R1
Figura 10.14
(10.30) VK '
VS ( RK // R2 ) RK // R2 R1
t
(10.34)
En la ecuación (9.30) con t1>t2 y VS>>Vv 10.10 EJEMPLOS 10.B T
RC ln(
1 1
)
(10.31)
Para garantizar que el PUT funcione en la región activa se debe garantizar: VS V p VS Vv (10.32) R Iv Ip
Vp VS VD (10.33) Las formas de onda VA, VG y VK Aparecen en la figura 10.14. Obsérvese que T determina el voltaje máximo de VA al que se pude cargar el capacitor. Una vez que el dispositivo se dispara, el condensador se descargara rápidamente a través del PUT y RK, produciendo la caída que se muestra en la figura 10.14.
Ejemplo # 1 Para el circuito mostrado en la figura 10.15: a) Calcule Vp b) Compruebe si el PUT esta operando en la zona activa. c) Calcule la frecuencia de oscilación d) Dibuje las formas de onda: VA, VE y VG. Datos: Vv= 1V, Ip= 100µA, Iv=5.5mA.
98
VS=12V
1 21.97ms
f osc R 20kΩ
d) Las formas de onda se muestran en la figura 10.16.
R1
A
5kΩ
G
45.52Hz
VA 8.74V
C 1µF
+ Vo -
K
R2 10kΩ
RK 100Ω
t VK
T VK=Vp-Vv=8.74V-1V=7.74V
Figura 10.15
Solución: t
a) De la ecuación (10.33):
T
VG 8.04V
Vp Vp
VS
VD
0.67 x12V
0.7V
0.233V
8.74V
0V
R1
R2
10 k 15 k
0.67
t
12Vx99 99 5k
0.233V
PROBLEMAS
b) Para garantizar que el PUT funcione en la región activa se debe garantizar que se cumpla la ecuación (10.32): VS V p VS Vv R Iv Ip 12V 1V 12V 8.74V R 5.5mA 100 A
2k
VS ( RK // R2 ) RK // R2 R1
VK '
De la ecuación (10.28):
R2
Figura 10.16
10.1 Diseñe el circuito mostrado en la figura P10.1. Datos: 0.6 ; Vv = 1.2V; Iv= 5mA; Ip = 10µA; RB1= 200Ω durante la fase de disparo; fo =200Hz y ton = 50µs(del tiristor). 12V
R1
R 32.6k c) De la ecuación (10.29) y (10.30):
T
1 f osc
T
10k 20k x1 F ln(1 ) 5k
RC ln(
VS VS
Vp
)
RC ln(1
R2 ) R1
VC C R2
Vo
Figura P10.1
21.97ms
99
10.2 Para el circuito mostrado en la figura P10.2: a) Encuentre RB1 y RB2 con IE= 0A. b) Determine Vp. c) Verifique si el UJT está funcionando en la zona activa. d) Determine fo. e) Grafique las formas de onda Vc y Vo. Datos: 0.55 ; Vv = 1.2V; Iv= 5mA; Ip = 50µA; RB1= 200Ω durante la fase de disparo; RBB= 10KΩ.
c) Si se cierra S1. Después de un minuto, como quedan cada una de las lámparas (lamp1, lamp2 y lamp3). d) Si se cierra S1 y luego se abre, como quedan cada una de las lámparas (lamp1, lamp2 y lamp3). flacher
mecánic o
S2
S1
R2
R1
+
12V
12V
R5
1MΩ
10kΩ
10kΩ
R6
R3 100k Ω
100 Ω
Lamp1
R1 20kΩ
R4
1MΩ
100kΩ 100Ω
0.5u F
Lamp2
0.5u F
Lamp3
Figura P10.4
9.5 Diseñar el circuito mostrado en la figura P10.5. Datos: fo = 50kHz; Vv = 0.8V; =0.4.
C
0.1μF
Figura P10.2
10.3 Para el circuito mostrado en la figura P10.3, calcule la frecuencia de disparos. Datos: UJT =0.6; RBB=20kΩ y Vv=1.5V. 12V
R1
2kΩ
C1 100nF
12V
R2 V o 120Ω R
R1
C R2 RK 1kΩ
R3
Figura P10.5
30kΩ
R4 50kΩ
Figura P10.3
10.4 Para el circuito mostrado en la figura P10.4: a) Explique cómo funciona b) Determine el tiempo de encendido de cada lámpara.
100