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Electrónica de Potencia Unidad II Circuitos de Disparo

M.C. Adrián Sánchez Vidal

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Objetivo El estudiante analizará los circuitos a partir de los conceptos básicos de corriente directa y alterna y operación de los dispositivos en sistemas electrónicos de potencia; con la finalidad de evaluar su operación y calidad. 2

Modelo del SCR

Modelo del SCR Un SCR es un dispositivo de cuatro capas de estructura pnpn, conformado por tres uniones pn, cuenta con tres terminales llamadas: A Ánodo ánodo, cátodo y compuerta. p J1 n J2 p

G Compuerta

J3 n

K

Cátodo 3

Modelo del SCR RECUPERACIÓN INVERSA Donde: T= Período en el tiempo de la señal de entrada (2/), T1 on= Tiempo en el cual se activa el SCR, = ángulo de retardo de disparo, tR= Tiempo de recombinación, tRR= Tiempo de recuperación inversa, tq= Tiempo de desactivación, IRR= Corriente de recuperación inversa.

Se desactiva hasta que pasa el tiempo de recuperación inversa 4

Modelo del SCR Mientras menor sea el voltaje de polarización de ánodo a cátodo, mayor será la corriente de compuerta requerida para encenderlo.

5

Modelo del SCR El SCR puede modelarse como dos transistores complementarios, donde ambos están en configuración de base común. A

A IT

IB1=IC2

1

Q1

Q2

J1

J2

G

IA=IT

IC1

J2

IG

J3

Q1

G IK

K

IB2

Q2

2

IG

K

IK 6

Modelo del SCR Al incrementar la corriente de compuerta repentinamente, la corriente del ánodo aumenta inmediatamente. A

Lo cual incrementará los valores de 1 y 2, y aún más a IA.

Así se produce un efecto regenerativo que asegura el encendido del SCR.

IA=IT

IB1=IC2

1

Q1 IC1

G

IB2

Q2

2

IG

K

IK 7

Modelo del SCR

Activación del SCR La activación del SCR puede llevarse a cabo por medio de cualquiera de las siguientes formas: • Térmica. Si aumenta la temperatura aumentarán las corrientes de fuga debido al incremento del número de pares electrón-hueco, lo cual trae un aumento de 1 y 2, produciendo la acción regenerativa. (INDESEABLE). 8

Modelo del SCR

• Luz. Existen tiristores que son activados por luz (LASCR), ya que al igual que en el caso anterior, se produce un incremento del número de pares electrón-hueco. • Alto voltaje. Si el voltaje de ánodo a cátodo supera a VBO, la corriente de fuga será tal que iniciará la acción regenerativa. (INDESEABLE)

9

Modelo del SCR

• dv/dt. Si la velocidad de elevación de voltaje es muy alto, la corriente de las capacitancias parásitas de las uniones aumenta, de tal modo que puede activar al SCR. No debe excederse el valor máximo permitido. (INDESEABLE) • Corriente de compuerta. Si el SCR está polarizado directamente, la inyección de una corriente de compuerta suficiente activará al SCR. A medida que aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo inverso. 10

Modelo del SCR IT

Una vez aplicada la señal de activación en la compuerta, la corriente de ánodo a cátodo presenta cierto retraso ton (tiempo de activación).

0.9IT

0.1IT t

IG

0.1IT td

tr

t

ton 11

Modelo del SCR IT

Tiempo de retraso (td): Es el intervalo de tiempo entre el 10% de la corriente de compuerta (0.1IG) y el 10 % de la corriente activa del tiristor (0.1IT).

0.9IT

0.1IT t

IG

0.1IT td

tr

t

ton 12

Modelo del SCR IT

Tiempo de elevación (tr): Es el intervalo de tiempo requerido para que la corriente del ánodo del tiristor se eleve del 10% (0.1IT) al 90% de su valor máximo (0.9IT).

0.9IT

0.1IT t

IG

0.1IT td

tr

t

ton 13

Modelo del SCR IT

Tiempo de activación (ton): Es la suma del tiempo de retraso y de elevación.

0.9IT

0.1IT t

IG

0.1IT td

tr

t

ton 14

Modelo del SCR

Asimismo, es importante tomar las siguientes consideraciones. • Para ahorrar la disipación de potencia, es importante eliminar la señal en compuerta una vez activado el SCR.

• La duración del pulso de activación en compuerta debe ser mayor al tiempo de activación ton. 15

Modelo del SCR

Ejemplo: Suponiendo una fuente de 115 V (RMS), IGT=15mA y R1=3k. Si se desea que el retardo de disparo ocurra a 90°, a) ¿A qué valor debe ajustarse R2?, b) ¿Qué pasa si aumentamos el valor de R2?, c) ¿Cuál es la finalidad de R1? 16

Modelo del SCR

SOLUCIÓN: a) Ignorando la caída de voltaje en la carga y del SCR, el resistor total en la Terminal de la compuerta es:

2 115V   10.84k 15mA

R2  RTOT  R1  10.84k  3k  7.84k 17

Modelo del SCR

CONT: b) Aumentará la exigencia de voltaje de disparo, lo cual implica que no se disparará el SCR.

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Modelo del SCR

CONT: c) Fijar el valor de la corriente máxima que puede polarizar la compuerta del SCR para no sufrir daño. ** SIMULACIÓN **

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Transistor Monounión (UJT)

El transistor monounión (unijunction transistor) conocido como UJT, cuenta con tres terminales, las cuales son dos bases (B1 y B2) y un emisor (E).

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Transistor Monounión (UJT) Su comportamiento en emisor es como un diodo, mientras que entre las bases es como el de una resistencia común, en el de rango de 4.7 a 9.1 k. Por lo tanto, el UJT se puede modelar :

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Transistor Monounión (UJT) Como se observa, se crea un divisor de voltaje como: r B 1 V  V rB 1 B 2 B 1 r  r B 1 B 2

Y para activar al UJT se requiere en el emisor un voltaje igual a: r B 1 V  V  V EB 1 D B 2 B 1 r  r B 1 B 2

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Transistor Monounión (UJT) Donde se tiene el factor de inactividad : rB1  rB1 rB2

Así que, el voltaje de emisor de activación es conocido como voltaje pico: VP = VD + ηVB2B1

Al alcanzar este voltaje pico, el UJT se activa permitiendo el flujo de corriente a través del emisor, pero el voltaje entre el emisor y la base 1 decrece hasta casi a cero. 23

Transistor Monounión (UJT)

Debido a que el valor de rB1, una vez encendido comienza a disminuir su valor original de apagado hasta llegar a cero ohms.

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Transistor Monounión (UJT)

Asimismo, al decrecer el voltaje de emisor por debajo del valor VV conocido como voltaje de valle, el UJT se apagará.

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Circuito de Relajación La principal aplicación de los UJT, radica en los circuitos de disparo de compuerta de tiristores (SCR, Triac, etc.). Donde, el control del voltaje de compuerta lo tiene el capacitor, que al cargarse hasta el valor de voltaje pico, activa al UJT.

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Circuito de Relajación Una vez encendido, el voltaje de emisor se aplica a la resistencia RB1, de valor muy pequeño. De modo tal que, será el camino de descarga para el capacitor. Cuando su voltaje, disminuye por debajo del voltaje de valle, el UJT se desactivará. 27

Circuito de Relajación

La resistencia R, debe ser lo suficientemente pequeña para permitir que fluya una corriente de pico (IP) para activar al UJT. Pero, no tan grande de modo que se alcance el voltaje pico, así que: V V S P R  máx IP

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Circuito de Relajación

Mientras tanto, su tamaño mínimo debe asegurar que el UJT se apagará, entregándose en el emisor una corriente de valle. Así que: V V S V R  mín IV Tenemos:

V V V V S V S P  R  I I V P 29

Circuito de Relajación

La frecuencia SUPER aproximada de oscilación de la señal en la base 1, está determinada por la constante de tiempo del capacitor y la resistencia de emisor (se omite el tiempo de descarga que es despreciable). Como sigue:

1 1 f  T RC E

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Circuito de Relajación Algunas razones para elegir al UJT en los circuitos de disparo del SCR, son:

1. El UJT produce una salida en forma de pulso que asegura el encendido de un SCR, sin exceder la disipación de potencia en la compuerta del SCR. 2. El punto de disparo del UJT es estable sobre un amplio rango de temperatura. 3. Los circuitos de disparo con UJT se pueden adaptar fácilmente para control realimentado. 31

Circuito de Relajación

Ejercicio 1:

TIEMPO: 10 MIN

Suponiendo que el UJT tiene las siguientes características =0.63, rBB=9.2k, rB1=5.8k, rB2=3.4k, RB1=100, RB2=470, VS=24V, VV=1.5V, IV=3.5mA, IP=5mA, CE=0.2mF. Encontrar: a) El voltaje pico. b) La frecuencia aproximada de salida. c) Demostrar que R de 10k está dentro del rango aceptable. e) En la forma de onda de la resistencia de base 1, ¿de qué tamaño son los picos? ¿Qué voltaje tiene R1 mientras el UJT está apagado? 32

Circuito de Relajación

Ejercicio de Tarea 1: Suponiendo que el UJT tiene las siguientes características =0.63, rBB=9.2k, rB1=5.8k, rB2=3.4k, VV=1.5V, IV=3.5mA, IP=50A. Encontrar: a) El voltaje pico. b) Calcular el rango aceptable de R para este circuito. c) Seleccionar un valor de R y CE de modo que el circuito trabaje a una frecuencia de 60 Hz, considerando que sólo se cuentan con capacitores de valores de 20µF, 0.2µF y 0.02µF. d) Dibuje la forma de onda de la resistencia de base 1 y determine de qué tamaño son los picos, a partir del voltaje que tiene RB1 mientras el UJT está apagado. 33

Circuito de Disparo Sincronizado en Línea En el siguiente método de disparo, el zener corta la forma de onda alterna a su voltaje nominal, durante el semiciclo positivo, ya que en el negativo está activo con un voltaje de ánodo a cátodo de casi 0V. Mientras el zener tenga un voltaje positivo suficiente, el capacitor se cargará hasta llegar al voltaje de pico, en un tiempo determinado por R1 y R2, disparando al UJT que pone un pulso en RB1, que se aplica a la compuerta del SCR y es capaz de encenderlo. 34

Circuito de Disparo Sincronizado en Línea

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Circuito de Disparo Sincronizado en Línea Una vez encendido el SCR, la carga se alimenta por el voltaje de fase de corriente alterna, con una potencia controlada por el potenciómetro del emisor del UJT. Cuando RE=R1+R2 es baja, el SCR se enciende rápidamente y se disipa alta potencia en la carga. Pero si RE aumenta, el ángulo de retardo de disparo es mayor, haciendo que se disipe menos potencia en la carga. 36

Transistor Monounión Programable (PUT) El PUT es un semiconductor de cuatro capas (pnpn) cuyo funcionamiento es similar al del UJT. Es un tipo de tiristor y a veces se le llama “tiristor disparado por ánodo” debido a su configuración.

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Transistor Monounión Programable (PUT) Al igual que el UJT, se utiliza como oscilador y base de tiempos, pero es más flexible, ya que la compuerta se conecta a un divisor de tensión que permita variar la frecuencia del oscilador sin modificar la constante de tiempo RC. Es un dispositivo de disparo ánodocompuerta puesto que su disparo se realiza cuando la puerta tiene una tensión más negativa que el ánodo; es decir, la conducción del PUT se realiza por control de voltajes en sus terminales.

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Transistor Monounión Programable (PUT) Si el PUT está polarizado directamente y aplicamos Vag= 0.7 V, entra en conducción. El PUT permanece encendido hasta que el voltaje anódico es insuficiente, entonces, se apaga. El apagado se debe a que la corriente anódica llega un valor ligeramente menor a la corriente de mantenimiento. 39

Transistor Monounión Programable (PUT) Si el PUT es utilizado como oscilador de relajación, el voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación mediante el divisor resistivo del voltaje RB1 y RB2, y determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp está fijado por el voltaje de alimentación, pero en un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo RB1 y RB2. 40

Transistor Monounión Programable (PUT) Si el voltaje del ánodo Va es menor que el voltaje de compuerta Vg, se conservara en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta más el voltaje de diodo Vag, se alcanzará el punto de disparo y el dispositivo se activará. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta: RB1 RB 2 RG = RB1  RB 2 41

Transistor Monounión Programable (PUT) Asimismo, también depende del voltaje de alimentación en VBB. En general Rk está limitado a un valor por debajo de 100 . Para tener un diseño exitoso, la corriente de ánodo, debe estar entre las corrientes Ip e Iv, para que el dispositivo oscile. Por ello, se debe tener cuidado al diseñar la impedancia equivalente RG y el voltaje de alimentación, ya que éstos parámetros modifican directamente los valores de corriente. 42

Transistor Monounión Programable (PUT) Para el diseño de oscilador de relajación con PUT, se deben realizar los siguientes pasos: 1. Al igual que en los UJT, la resistencia R debe ser lo suficientemente baja para que pueda alcanzar a circular Ip y lo tan alta para que no pueda circular la Iv en forma permanente.

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Transistor Monounión Programable (PUT) 2. Debe tenerse en cuenta que los valores de Ip e Iv dependen del valor de RG. El valor de Vp en los PUT es fijado por el circuito exterior, por ejemplo mediante un divisor resistivo como el mostrado. La ecuación básica del PUT es: Vp = Vt + Vs 44

Transistor Monounión Programable (PUT)

Siendo Vs la tensión de Thevenin vista desde la compuerta y Vt una tensión de offset compuesta por la caída directa de la unión ánodo compuerta Vag mas la caída producida en RG por la corriente Ip justo antes del disparo. 45

Transistor Monounión Programable (PUT) 3. Como Vt = VAG + IpRG, un cambio en RG afecta a ambos términos en forma opuesta. Si RG aumenta, Ip disminuye y hace decrecer a VAG, pero como Ip no se reduce tan rápido como RG se incrementa, el producto IpRG se incrementa, aumentando el valor de Vt. 46

Transistor Monounión Programable (PUT) Como estas variaciones son difíciles de estimar, es común considerar Vt = 0.6 V. 4.

El periodo de un oscilador de relajación basado en PUT resulta: Vct = Vp =Vt + Vs Por lo que el periodo es: T=RC*ln((VBB-Vv)/(VBB-Vt-Vs)) 47

Transistor Monounión Programable (PUT) Donde VBB es el voltaje de alimentación del circuito. Despreciando Vv y Vt, se reduce a una expresión: T=RC*ln(1+RB1/RB2) 5. Al igual que con los UJT, la amplitud del pulso depende de la velocidad de conmutación, aún más para capacidades inferiores a 0.01 F. 48

Transistor Monounión Programable (PUT) 6.

Valores típicos de frecuencias de oscilaciones se encuentran comprendidas entre los 0.003 Hz y 2.5 KHz.

7. El PUT operando como oscilador de relajación presenta una baja dependencia de su frecuencia con la temperatura debido a que su tensión de compuerta se encuentra fijada exteriormente. 49

Circuito de Disparo Sincronizado en Línea Ejercicio 2:

TIEMPO: 25 MIN

Diseñe un circuito de relajación sincronizado en línea usando un PUT 2N6027, de modo que sea capaz de controlar la potencia en alterna de una carga de 500 asociada en serie a un SCR 2N1599, considere los parámetros de corriente y voltaje de los dispositivos apoyándose en su hoja de datos.

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Circuito de Relajación Ejercicio 3:

TIEMPO: 25 MIN

Simule el siguiente circuito secuencial.

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Circuito de Relajación Ejercicio 4: Simule la práctica 4, siga los pasos mencionados y escriba sus conclusiones. TIEMPO: 25 MIN

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Circuito de Disparo Sincronizado en Línea Ejercicio de Tarea 2: Simule la práctica 5, siga los pasos mencionados y escriba sus conclusiones.

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Bibliografía

1. Electrónica de potencia. Circuitos dispositivos y aplicaciones, Muhammad H. Rashid. Prentice Hall. 2. Electrónica de Potencia: Manual de Prácticas de Laboratorio, Juan Gabriel Rodríguez, Editorial Académica Española. 3. Prácticas de Electrónica. P. A. Malvino, Alfaomega. 4. Electrónica Industrial Moderna, Timothy J. Maloney, Pearson. 5. Electrónica de Potencia, Daniel W. Hart, Prentice Hall. 54