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• Diego Uchiha

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U.N.M.S.M Facultad de Ing. Electrónica, Eléctrica y Telecomunicaciones Apellidos y Nombres

Matricula

Arica Vidal, Sebastián Boulangger Ñañez, Joan Manuel Minaya Rivera Iberth Alexander Sinchi Rumuaca Diego Adrian Yen Landa Fuy Hong

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Curso

Tema

Dispositivos Electronicos

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)

Informe

Fechas

Final

Nota

Realización

Entrega

27-06-18

04-07-18

Numero 8 Grupo

Profesor

“L3”: Miercoles 2p.m.-4p.m. (2018-I)

Ing. Luis Paretto Q.

ÍNDICE GENERAL CARÁTULA OBJETIVOS INTRODUCCION TEORICA MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO PROCEDIMIENTO DATOS OBTENIDOS-INTERPRETACION CUESTIONARIO FINAL. DESARROLLO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA

OBJETIVOS  

Verificar las condiciones de un SCR. Comprobar las características de funcionamiento de un SCR.

INTRODUCCION TEORICA

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio es el de mayor interés. Fue presentado por primera vez en 1956 por Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR incluyen controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de potencia reguladas, interruptores estáticos, controles de motor, recortadores, inversores, cicloconvertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefactores y controles de fase. En años recientes, los SCR han sido diseñados para controlar potencias tan altas como 10 MW con valores nominales individuales hasta de 2000 A a 1800 V. Su intervalo de frecuencia de aplicación también se ha ampliado hasta 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones como calefacción por inducción y limpieza ultrasónica.

Fig. 01

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SCR Al igual que la operación de un diodo de 4 capas, la operación del SCR se entiende mejor si su estructura pnpn interna se ve como una configuración de dos transistores, como muestra la figura 2. Esta estructura es como la del diodo de 4 capas excepto por la conexión de compuerta. Las capas pnp superiores actúan como un transistor, Q1; las capas npn inferiores lo hacen como un transistor, Q2. De nueva cuenta, Observe que las dos capas intermedias están “compartidas”.

Fig. 02

OPERACIÓN BÁSICA DE UN RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO Encendido del SCR Cuando la corriente en la compuerta, IG, es cero, como muestra la figura 3, el dispositivo actúa como un diodo de 4 capas en el estado de apagado. En este estado, la muy alta resistencia entre el ánodo y el cátodo pueden ser simulados de forma aproximada por un interruptor abierto, como se indica. Cuando se aplica un pulso (disparo) positivo de corriente a la compuerta, ambos transistores se encienden (el ánodo debe ser más positivo que el cátodo). IB2 enciende a Q2 y crea una trayectoria para IB1 hacia el colector Q2, por lo que Q1 se enciende. La corriente en el colector de Q1 proporciona una corriente adicional en la la base para Q2, de tal forma que Q2 permanece en conducción una vez que el pulso de disparo se retira de la compuerta. Por esta acción regenerativa, Q2 mantiene la conducción en saturación de Q1 al proporcionar una trayectoria para IB1; a su vez, Q1 mantiene la conducción en saturación de Q2 al proporcionar IB2. De este modo, el dispositivo permanece encendido (interruptor cerrado) una vez que es activado para que encienda. En este estado, la muy baja resistencia entre el ánodo y el cátodo puede ser simulada de forma aproximada por un interruptor cerrado, como se indica.

Fig. 03 Del mismo modo que un diodo de 4 capas, un SCR también puede encenderse sin que se active la compuerta incrementando el voltaje entre el ánodo y el cátodo a un valor que exceda el voltaje de ruptura en directa VBR(F), como se muestra en la curva de la figura 4. El voltaje de ruptura en directa se reduce a medida que IG se incrementa por encima de 0 V, como lo muestra el conjunto de curvas de la figura 4. Con el tiempo, IG alcanza un valor al cual el SCR enciende a un voltaje muy bajo entre el ánodo y el cátodo. Así que, como se puede ver, la corriente en la compuerta controla el valor del voltaje de ruptura en directa, VBR(F), requerido para que encienda. Aun cuando los voltajes entre el ánodo y el cátodo de más de VBR(F) no dañan el dispositivo si se limita la corriente, esta situación deberá evitarse porque se pierde el control normal del SCR. Normalmente deberá prenderse sólo con un pulso en la compuerta.

Fig. 04

Apagado del SCR Cuando la compuerta regresa a 0 V una vez que cesa el pulso de disparo, el SCR no puede encenderse; permanece en la región de conducción en directa. La corriente en el ánodo se reduce por debajo del valor de la corriente de retención, IH, para que prenda otra vez. En la figura 4 se indica la corriente de retención. Existen dos métodos básicos de encender un SCR: interrupción de la corriente en el ánodo y conmutación forzada. La corriente en el ánodo puede ser interrumpida mediante una configuración de conmutación momentánea en serie o en paralelo, como muestra la figura 5. El interruptor en serie en la parte (a) simplemente reduce a cero al corriente en el ánodo y apaga el SCR. El interruptor en paralelo en la parte (b) aleja una parte de la corriente total del SCR, con lo cual la corriente en el ánodo se reduce a un valor menor que IH. El método de conmutación forzada básicamente requiere obligar momentáneamente a la corriente que circula a través del SCR a que lo haga en la dirección opuesta a la conducción en directa, de modo que la corriente neta en directa se reduzca por debajo del valor de retención. El circuito básico, como muestra la figura 6, consta de un interruptor (normalmente un interruptor basado en un transistor) y un capacitor. En tanto el SCR está conduciendo, el interruptor está abierto y Cc se carga al voltaje de alimentación por conducto de Rc, como muestra en parte (a). Para apagar el SCR, el interruptor se cierra, lo cual coloca el capacitor a través del SCR y la corriente fluye en la dirección opuesta a la corriente en directa, como muestra la parte (b). Típicamente, los tiempos que los SCR permanecen apagados varían desde unos cuantos microsegundos hasta cerca de 30 ms.

Fig. 05

Fig. 06

CARACTERÍSTICAS Y VALORES NOMINALES DE UN SCR En la figura 1.16 se proporcionan las características de un SCR para diversos valores de corriente de compuerta.

Fig. 07

Fig. 08

Las corrientes y voltajes más usados se indican en las características. 1. Voltaje de ruptura directo V (BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará dependiendo de la condición de la terminal de compuerta de la manera siguiente: O = circuito abierto de G a K S = circuito cerrado de G a K R = resistencia de G a K V = Polarización fija (voltaje) de G a K 2. Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas. 3. Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo. 4. Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje zener o a la región de avalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental.

FORMAS DE PROVOCAR EL DISPARO DEL SCR 1. Corriente de Puerta. 2. Elevada tensión Ánodo-Cátodo. 3. Aplicación de tensión Ánodo-Cátodo positiva antes de que el proceso de bloqueo haya terminado. 4. Elevada derivada de la tensión Ánodo-Cátodo

Fig. 09 5. Temperatura elevada Normalmente no ocurre, aunque si se produce una combinación de varias causas, podría provocarse la entrada en conducción 6. Radiación luminosa Sólo se ocurre en los dispositivos especialmente construidos para funcionar de esta forma (LASCR)

Fig. 10

MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO          

Un multímetro digital. Un miliamperímetro. Un micro amperímetro. Un SCR. Una fuente de C.C. Resistores: R1=100kΩ, R2=10 kΩ y RL entre 330Ω y 1 kΩ. Una placa de zócalo con tres terminales. Cables, conectores de cocodrilo/banano. Potenciómetros: P1≥15 kΩ, y P2≥500kΩ. Un multímetro (o voltímetro) analógico.

SCR

POTENCIOMETROS

PROCEDIMIENTO 1. Verificar el SCR con el ohmímetro. Llenar la tabla 01 2. Armar el siguiente circuito: +8v a + 24v

IA

mA

uA Vo

IG

a. Con P1=0Ω y P2 a su valor máximo (SCR off), tomar datos observando el micro amperímetro y multímetro digital; llenar la tabla 2, con estos valores iniciales para el circuito resistivo. b. Con P2 ajustado en el valor de disparo (SCR on) observar los nuevos datos en microamperimtro, miliamperímetro y multímetro digital (voltímetro). Llenar la tabla 2 y luego medir el valor resistivo de P2. c. Con P2 ajustado en valor de disparo (SCR on) ajustar el potenciómetro P1 hasta obtener la corriente de Ihold, donde Vo regrese a la condición de corte (SCR off); en caso de no lograr ello, anotar estos datos en la tabla 3 como primera fila horizontal. d. Ajustar P2 a su valor máximo con P1 =0 (SCR on), luego de ello ajustar P1 hasta obtener la corriente Ihold, donde V0 regrese a la condición de corte (SCR off); anotar estos datos en la tabla 3 como segunda fila horizontal.

DATOS OBTENIDOS-INTERPRETACION

TABLA 01

Resistencia G-K G-A A-K

Directa (𝛀 ) 977 Ω >40M Ω >40M Ω

Inversa (M 𝛀) >40M Ω >40M Ω >40M Ω

TABLA 02 SCR

VO(v)

VGK(v)

IAK(mA)

IG(uA)

P1(K 𝛀)

P2(K 𝛀)

OFF ON

12 0.82

0.356 0.799

0 34.37

1.4 16.4

0 0

500 8.71

TABLA 03 SCR

VO(v)

VGK(v)

IAK(mA)

IG(uA)

P1(K 𝛀)

P2(K 𝛀)

OFF ON

0.6 0.5

0.572 0.388

0.25 0.25

24.5 1

43.7 43.7

8.86 508

CUESTIONARIO FINAL - DESARROLLO 1. Explicar lo sucedido con el SCR al hacer las pruebas operativas con el ohmímetro. Sabemos que el tiristor es un diodo unidireccional controlable; pero, ¿por qué controlable? Pues porque este mismo podrá controlar corrientes muy grandes (Iak) por medio de corrientes muy bajas (Ig). Es por esto que habrá dos maneras por la cual este puede llegar a ser disparado; una de estas es cuando exista una intensidad de Gate o corriente de disparo, esta explicación la encontramos en las medidas de la tabla N°1 que, como podemos ver, todas las medidas son mayores a 40MΩ a excepción de una que vendría ser una resistencia de 977 Ω. Esta en especial es baja con respecto a las demás porque es donde por la estructura (que podemos apreciar en la imagen siguiente), dejará pasar la corriente de disparo (Ig) para poder activar el SCR. Un dato importante es que cuando la señal que se envía a la compuerta hace que el tiristor SCR se active, el SCR quedará activado así se le quite la señal a la compuerta, para desactivarlo o apagarlo hay que hacer que la corriente que circula entre el ánodo y el cátodo sea menor a un valor que se conoce como la corriente de mantenimiento.

2. Explicar el funcionamiento del SCR en el circuito experimental a partir de los datos obtenidos en la Tabla 2. SCR

Vo (V.)

VGK (V.)

IAK (mA)

IG (µA)

P1 (KΩ)

P2 (KΩ)

Off

12 V

0.356 V

0 mA

1.4 µA

0Ω

500 KΩ

On

0.82 V

0.799 V

34.37 mA

16.41 µA

0Ω

8.71 KΩ

Como sabemos que un tiristor es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos, por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio, aunque no son capaces de soportar sobrecargas de corriente.

El diseño del tiristor permite que este pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente a su terminal de control. Denominada puerta, a medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Al hacer un análisis de lo hecho en laboratorio, nos damos cuenta que el Vo es máximo cuando está apagado y disminuye cuando esta encendido; esto debido a que cuando está apagado no circula una corriente por el tiristor, al igual que el V GK, pues el tiristor depende mucho de la compuerta. Con respecto a las intensidades, como es una especie de interruptor, este debe estar conectado para que pueda fluir corriente, cuando no lo está no fluye; pues esto ocurre en este circuito debido a que va a ser mínimo o nulo cuando este apagado y mayor o máximo cuando este encendido; tanto para IAK como IG.

3. Explicar lo sucedido con el SCR a partir de los datos obtenidos en la tabla 3.

SCR

Vo (V)

VGK(V)

IAK (mA)

IG (uA)

P1 (KΩ)

P2 (KΩ)

On2

0.6

0.572

0.25

24.5

43.7

8.86

Off2

0.5

0.388

0.25

1

43.7

508

En ninguno de los dos casos se logró regresar a cortocircuito nuevamente. Lo que sucedió es que al haber estado conectado el SCR y luego intentar disminuir el potenciómetro para que resulte estar en corto, es que el SCR se queda conduciendo mínimamente y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir completamente, la tensión debe llegar al valor de cero. Debido a que el experimento realizado se hizo la medición de manera casi instantánea, y no se esperó que la tensión disminuya completamente, entonces se midió lo que se conoce como “corriente de mantenimiento o de retención”. Podemos ver que el SCR tiene dos estados:

1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja. 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada.

También evidenciamos que si P2 es baja, la corriente de puerta será lo suficiente para alimentar el SCR cuando la magnitud de la fuente de tensión sea baja, de este modo el disparo será pequeño y la magnitud de la corriente por la carga será grande, Si P2 es alta, la fuente de voltaje sube a un valor alto para entregar suficiente corriente de puerta para alimentar el SCR llevando que el disparo aumente y se reduzca la magnitud de la corriente en la carga.

4. Exponer sus conclusiones asimiladas del experimento. 





El rectificador controlado de silicio un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón y Transistor. Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

BIBLIOGRAFÍA:  Gerold W. Neudeck Ed. Addison-Wesley: “El tiristor”. Iberoamericana, 2ª edición, 1994.  Claudio P.; “Circuito de disparo de un SCR”.  http://mrelbernitutoriales.com/tiristor-scr/  http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm  http://suconel.com.co/home2/suconelc/public_html/images/stories/Resources/SC R.pdf