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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISPARO DEL TIRISTOR CON CIRCUITOS INTEGRADOS UJT Y PUT INFORME FINAL N° 2 INTEGRANTES: VELARDE MIRANDA GIANFRANCO RAMOS HUALLPA LISETH

20112558H 20112553F 201 H

CURSO Y SECCIÓN:

ELECTRÓNICA DE POTENCIA – ML-839 “B” PROFESOR: EDILBERTO HUAMANÍ HUAMANÍ LIMA-PERÚ 2 017 - II

ÍNDICE CALCULOS TEORICOS PREVIOS

01

RESULTADOS

06

CUESTIONARIO

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

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I.

CÁLCULOS TEÓRICOS PREVIOS Y/O NECESARIOS DISPARO POR UJT:

El transistor UNIUNION, UJT es un popular dispositivo usado en los osciladores de relajación para el disparo de tiristores. El UJT está constituido por una resistencia de silicio tipo N, terminada en dos electrodos o bases denominadas B1 y B2. El valor de esta resistencia está comprendida entre 4 y 9 KΩ. En un punto de ella se crea un diodo PN que realiza la función de emisor del UJT.

FIGURA 1. Esquema para el montaje de un UJT 2N2646

Para que el UJT trabaje correctamente, es necesario polarizarlo de forma adecuada. Si los terminales B1 y B2 están polarizados en directo con una tensión VBB, se crea un divisor de tensión entre el contacto de la región P y los terminales B1 y B2, tal que el voltaje entre la región P y el terminal B1 será:

𝑉𝑅𝐵1 =

𝑅𝐵1 ∗ 𝑉 = µ ∗ 𝑉𝐵𝐵 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝐵𝐵

Donde: µ=

𝑅𝐵1 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2

El valor típico del coeficiente µ lo proporciona el fabricante y está comprendido entre 0.5 y 0.8.

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FIGURA 2. Esquema de polarización y circuito equivalente UJT

Si con esta configuración se aplica una tensión V E < VC, el diodo se polariza en inverso y no conducirá. Pero si por el contrario, se aplica una tensión VE tal que se verifica que VE ≥ VP, (siendo VP = VC + VD y VD la tensión directa de saturación del diodo), el diodo quedará polarizado en sentido directo, circulando una corriente entre el emisor E y la base B1. Esta corriente inyecta en la zona de resistencia R1 una corriente de portadores (huecos). La nueva concentración de portadores en esa zona hace que la resistencia R1 disminuya haciendo a su vez que baje el voltaje VC, con lo que aumentará la intensidad IE. De esta manera, se creará una zona de resistencia negativa inestable. Si se disminuye la tensión VEB1, entonces disminuye IE. Cuando el dispositivo alcance un valor inferior a la corriente de valle, IV aumentará el valor de VEB1 pasando a polarizar el diodo en sentido inverso.

FIGURA 3. Características V-I del UJT

La secuencia de trabajo del oscilador de relajación con UJT se puede comprender mejor observando la figura. El condensador se carga a través de la fuente hasta alcanzar un valor que depende de la constante de tiempo aproximada del circuito T. 𝑇 = 𝑅𝑇 ∗ 𝐶𝑇

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La frecuencia del oscilador depende del valor del condensador C T y la resistencia RT. Cuando la tensión del condensador alcanza el valor de VE(VE=VC+VD) se llega a la tensión pico VP. La resistencia entre el emisor y la base B1 baja rápidamente descargándose el condensador a través de la resistencia R1, apareciendo un pulso en la puerta del Tiristor. Cuando el UJT no conduce la tensión en extremos de R1 debe ser menor que la tensión de disparo del SCR.

FIGURA 4. Circuito y formas de onda de un oscilador de relajación con UJT

Es importante escoger una tensión VBB de alimentación adecuada, y un UJT con la suficiente capacidad de impulso VOB1. Si el pulso cae hasta alcanzar un valor cero, el UJT recupera el estado de bloqueo, volviendo el condensador a cargarse para repetir de nuevo el ciclo. La resistencia R2 se incluye para mejorar la estabilidad del UJT frente a la temperatura. En la mayoría de los casos, el valor de esta resistencia puede ser calculado aproximadamente utilizando la siguiente expresión: 𝑅2 = 0.15 ∗ 𝑟𝐵𝐵 El UJT es un dispositivo muy utilizado para el disparo de los tiristores.

FIGURA 5. Característica interbase del UJT para distintos valores de IE

NOMENCLATURA DEL UJT:

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A la hora de manejar las hojas de características para aplicaciones prácticas y durante el desarrollo de problemas, es muy importante conocer la nomenclatura específica usada para determinar los parámetros principales del UJT

TABLA 1. Parámetros principales del UJT

DISPARO PUT: El Transistor Uniunión Programable, PUT es un dispositivo de disparo muy usado en los circuitos de disparo por puerta para los Tiristores. Tiene tres terminales que se identifican como: cátodo (K), ánodo (A) y puerta (G). El PUT, es un pequeño Tiristor con puerta de ánodo, presentando unas características de disparo parecidas a las del UJT, cuando es utilizado en los osciladores de relajación, pero presenta la ventaja de poder ser programado para determinar el valor de los parámetros μ, VP e IV mediante un sencillo circuito externo de polarización. Una vez fijada la tensión de alimentación también es cte; IV es cte.) El PUT permite variar estos parámetros y por tanto se pueden obtener periodos de mayor duración.

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FIGURA 6. Montaje y circuito equivalente de un PUT

La operación del PUT, depende de la tensión que se tenga aplicada entre el ánodo y la puerta del dispositivo. El voltaje de puerta es fijado por un divisor de tensión que es utilizado para programar el disparo del dispositivo. Si el voltaje de puerta es mayor que el voltaje de ánodo, el PUT queda en estado de corte. Si se incrementa el voltaje de ánodo hasta un punto alrededor de 0.7V (Voltaje de barrera de la unión P-N), el voltaje de puerta hace que el PUT pase a conducir en un periodo de tiempo muy corto (menos de 1μs). La tensión de ánodo (VP) que hace que el dispositivo se dispare, es ajustada cambiando el voltaje de puerta, es decir, alterando la relación: 𝑅𝐵 𝑅𝐴 + 𝑅𝐵 En la figura se representa un circuito oscilador con PUT. Las resistencias R1, R2 y el condensador C, actúan ajustando el retraso del voltaje de pico VP. En el paso de corte a conducción, aparece un pulso de tensión VG (mayor de 6 V) en el cátodo del PUT. Este será el pulso que apliquemos a la puerta del Tiristor. El condensador se descargará a través de la resistencia de cátodo haciendo que la corriente caiga hasta cero, cortando de esta manera al PUT. En este momento el voltaje de ánodo se hace menor que el voltaje de puerta, comenzará a cargarse de nuevo el condensador hasta alcanzar un voltaje VP, repitiéndose de nuevo el ciclo. Cuando la tensión de ánodo, VA es superior a VG + VGA, comienza a conducir y tiene una característica similar a la del UJT como se puede observar en la curva característica V-I del PUT Tanto IP como IV dependen del valor de las resistencias RA y RB, es decir, del valor de RG, siendo: 𝑅𝐺 =

𝑅𝐴 ∗ 𝑅𝐵 𝑅𝐴 + 𝑅𝐵

Es especialmente importante el hecho de que IP pueda reducirse hasta valores muy bajos usando valores grandes de RG. Esta característica es muy útil en circuitos con tiempos de retardo largos. (No hay que olvidar que se vio en el caso del UJT que Rmáx dependía de IP). Los límites de resistencia de carga del condensador RT se determinan de la misma forma que para el UJT. En el problema siguiente se tratará de diseñar el oscilador de relajación con PUT a partir de las características dadas por el fabricante y para una determinada frecuencia.

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FIGURA 7. Circuito y curva característica para un PUT

II.

RESULTADOS PRIMER CIRCUITO: Realizando el análisis del primer circuito a implementar, tenemos:

FIGURA 8. Primer circuito a implementar en el laboratorio (Circuito de disparo con UJT)

-Cálculo de RB2: NOTA: el valor de “n” lo obtenemos del datasheet del UJT 2N2646, el cual fue el transistor uniunión usado en el laboratorio

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FIGURA 9. Tabla de parámetros obtenida del datasheet del UJT 2N2646

Dado que el valor de n oscila entre 0.56 y 0.75, para el diseño del circuito optamos por utilizar el valor promedio (n=0.655). 𝑅2 =

10^4 10^4 = = 509(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝑛 ∗ 𝑉𝑠 0.655 ∗ 30

-Cálculo de Rp: 𝑇=

1 1 1 = 𝑅 ∗ 𝐶 ∗ 𝐿𝑛 ( )→𝑅∗𝐶 = = 15.661𝑚(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 1 𝑓 1−𝑛 60 ∗ 𝐿𝑛 ( ) 0.345

Entonces: 𝑅 > 3𝑘𝛺 → 𝐶 < 5.22𝑢𝐹 𝐶 = 1𝑢𝐹 → 𝑅 = 15.661𝑘𝛺 → 𝑅𝑝 = 13.461𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.5𝑢𝐹 → 𝑅 = 31.322𝑘𝛺 → 𝑅𝑝 = 29.122𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.22𝑢𝐹 → 𝑅 = 71.186𝑘𝛺 → 𝑅𝑝 = 68.986𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 4.7𝑢𝐹 → 𝑅 = 3.332𝑘𝛺 → 𝑅𝑝 = 1.132𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) -Cálculo de RB1: Sabemos que T=T1+T2=R*C+RB1*C 𝑇2 = 𝑇 − 𝑇1 =

1 − 15.661 = 1.006𝑚(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) = 𝑅𝐵1 ∗ 𝐶 60

Entonces: 𝐶 = 1𝑢𝐹 → 𝑅𝐵1 = 1.006𝑘𝛺(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.5𝑢𝐹 → 𝑅𝐵1 = 2.012𝑘𝛺(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.22𝑢𝐹 → 𝑅𝐵1 = 4.573𝑘𝛺(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥)

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𝐶 = 4.7𝑢𝐹 → 𝑅𝐵1 = 0.214𝑘𝛺(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) SEGUNDO CIRCUITO Realizando el análisis del segundo circuito a implementar, tenemos:

FIGURA 10. Primer circuito a implementar en el laboratorio (Circuito de disparo con PUT)

Cálculo de R1 y R2: Dados los datos del datasheet, asumiremos un valor de Rg=10k.

FIGURA 11. Esquema y características obtenidas del datasheet del PUT 2N6027

Entonces 𝑅1 = 𝑅2 =

10𝑘 10𝑘 = = 14.286𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝑛 0.7

10𝑘 10𝑘 = = 33.333𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 1−𝑛 0.3

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-Cálculo de Rp: 𝑇=

1 1 1 = 𝑅 ∗ 𝐶 ∗ 𝐿𝑛 ( )→𝑅∗𝐶 = = 13.843𝑚(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 1 𝑓 1−𝑛 60 ∗ 𝐿𝑛 (0.3)

Entonces: 𝑅 > 3𝑘 → 𝐶 < 4.614𝑢 𝐶 = 1𝑢 → 𝑅 = 13.843𝑘 → 𝑅𝑝 = 11.643𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.5𝑢 → 𝑅 = 27.686𝑘 → 𝑅𝑝 = 25.486𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.22𝑢 → 𝑅 = 62.923𝑘 → 𝑅𝑝 = 60.723𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) -Cálculo de Rs: Sabemos que T=T1+T2=R*C+Rs*C 𝑇2 = 𝑇 − 𝑇1 =

1 − 13.843 = 2.824𝑚(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) = 𝑅𝑠 ∗ 𝐶 60

Entonces: 𝐶 = 1𝑢 → 𝑅𝑠 = 2.824𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.5𝑢 → 𝑅𝑠 = 5.648𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥) 𝐶 = 0.22𝑢 → 𝑅𝑠 = 12.836𝑘(𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥)

IMAGEN 1:CIRCUITO ARMADO

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IMAGEN 2:CIRCUITO UJT VARIANDO EL CONDENSADOR

IMAGEN 3: GRAFICA DE FORMA DE ONDA DEL CONDENSADOR

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IMAGEN 4: GRAFICA DE FORMA DE ONDA VARIANDO EL CONDENSADOR

IMAGEN 5: GRAFICA DE FORMA DE ONDA VARIANDO EL POTENCIOMETRO

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III.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué sucede con la lámpara cuando aumenta el valor de C en ambos circuitos? Al aumentar el valor de la capacitancia C del condensador se observa que disminuye la luminosidad del foco, esto debido a que se está variando el ángulo de disparo. Una forma de explicar esto es la siguiente: El tiempo que se demora el disparo del PUT o UJT depende del tiempo en que se carga el condensador. (t1 en la figura) Si se dispone de un condensador de alta capacitancia este tiempo será grande (mayor tiempo en cargarse), por lo que es tiristor se disparará luego (ángulo de disparo grande), mientras que si se dispone de uno de baja capacitancia se tendrá el efecto contrario, y la luminosidad será mayor (se deja pasar más potencia).

FIGURA 18. Forma de onda en el condensador

2. Según su opinión cuál de los integrados de disparo es más recomendable. ¿Por qué? Ambos, UJT y PUT son usados como osciladores de relajación, pero la diferencia yace en el hecho de las propiedades intrínsecas. A diferencia del UJT, el PUT tiene una relación intrínseca dependiente de las resistencias usadas en el diseño del circuito (R1 y R2 en el gráfico) por lo que en los cálculos es posible un diseño más preciso, mientras que en el UJT se dispone de un rango para la relación intrínseca, el cual viene en la hoja de datos del fabricante.

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FIGURA 19. Diagrama esquemático de un circuito con PUT

Además, debido al control que se tiene sobre la relación intrínseca es posible variar el voltaje de pico, el cual se escogerá adecuado a las características del tiristor a controlar. Por ende, es recomendable el uso de circuitos de disparo con PUT, debido a la libertad de controlar sus parámetros. 3. ¿Qué dificultades encontró para realizar este experimento? Sugiera que cambios se podrían hacer para mejorarlo. El principal problema que tuvimos fue que el UJT no funcionaba con los valores calculados de las resistencias, por lo cual decidimos utilizar potenciómetros y variar estas resistencias hasta que funcione el circuito de disparo. Sin embargo, los valores no diferían mucho de los calculados. Es recomendable simular el circuito en un software con Proteus 8 Professional, pero en el caso del UJT no se pudo realizar esta simulación dado que algunos componentes no se encontraban en las librerías.

IV.

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES Al tratar de utilizar un voltaje de alimentación constante VZ

se

obtenía un efecto de encendido y apagado en el foco, a diferencia de un funcionamiento normal cuando la alimentación era de 30V pero en forma de onda cuadrada periódica. La posible explicación a este fenómeno es:

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a)

Supongamos que hemos aplicado un voltaje de alimentación constante de 30V y que inicialmente configuramos al circuito de disparo para que esté sincronizado con la línea (esto es, que el periodo de disparo dado por el circuito de disparo sea igual al periodo de la alimentación, la cual, siendo de 60 Hz de frecuencia tiene un periodo de 16.6ms). Una vez sincronizados,, y suponiendo que hayan empezado al mismo tiempo, tendremos que el tiristor se dispara cada vez que el voltaje de alimentación es 0V en aumento (da la idea de un ángulo de disparo de 0º). Ahora, si variamos la resistencia del potenciómetro o la capacitancia del condensador, tendremos, para ambos circuitos de disparo, que el periodo con que llegan los pulsos varía. Suponiendo que este periodo aumenta (aumento en la capacitancia o tal vez en la resistencia) digamos a 20ms tendremos que los impulsos llegan a menor tasa (menor frecuencia) y por tanto habrá tiempos en los que el impulso llegue cuando el tiristor aún se encuentre en bloqueo inverso esto se ve en la gráfica.

En este caso se aprecia que los pulsos llegan a menor tasa y que por lo tanto se disparan menos veces al tiristor. En este caso el foco prende y apaga

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En este caso se aprecia que llegan más pulsos, los cuales dispararán más veces al tiristor. En este caso el foco prende y apaga, pero a mayor frecuencia, pudiendo llegar al caso en que nuestros ojos no detecten la diferencia.

b)

En cambio, si la alimentación es una onda cuadrada en fase con la alimentación se tendrá que el circuito de disparo se alimenta cada vez que la alimentación pasa por 0 V en subida, y por lo tanto siempre los pulsos de disparo estarán dentro de la región de bloqueo directo del tiristor, pudiendo activarlo. Ahora si tiene sentido de hablar de ángulo de disparo ya que los pulsos se dan dentro de los 16.6ms de periodo de alimentación, pudiendo hacer que sea, por ejemplo, de 8.3ms, valor que representa un ángulo de disparo de 90º.

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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA  RASHID, Muhammad H. “Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones”. Tercera edición. Editorial Pearson. Capítulo 7: Tiristores. Páginas 309-313.  Datasheet del UJT 2N2646. URL disponible en: http://www.voti.nl/docs/2n2646.pdf  Datasheet del PUT 2N6027. URL disponible en: http://www.farnell.com/datasheets/112532.pdf  Datasheet del SCR TYN616. URL disponible en: http://www.farnell.com/datasheets/1700041.pdf

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