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Control de disparo de un SCR...

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2020

BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRONICA LICENCIATURA EN INGENIERIA EN SISTEMAS AUTOMOTRICES

ÁNGULO DE DISPARO SCR SISTEMAS ELECTRONICOS DE POTENCIA ALUMNO: EDGAR ARTURO GONZÁLEZ VARGAS PROFESOR: MARCO SOBREVILLA GONZÁLEZ

FECHA DE ENT REGA: SEPTIEMBRE 13 DE 2020

CONTENIDO RESUMEN ..........................................................0 MARCO TEÓRICO...............................................0 TIRISTOR ........................................................ 0 TEORÍA Y OPERACIÓN................................1 FORMAS DE ONDA EN EL SCR ...................1 CARACTERÍSTICAS DE PUERTA ...................... 2 CIRCUITOS TÍPICOS DE CONTROL DE PUERTA .......................................................................3 MÉTODOS ALTERNATIVOS DE CONEXIÓN DE LOS SCR A LA CARGA .....................................3

momento en el cual pueden comenzar a pasar los electrones. El primer terminal recibe el nombre de cátodo, y es utilizado como entrada de corriente. El tercero es el gate, o terminal de control para el paso de corriente cátodo ánodo. Cuando está conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como un interruptor cerrado; cuando está bloqueado, no puede fluir corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como interruptor abierto

OBJETIVOS .........................................................3 RESULTADOS .....................................................4 CONCLUSIONES .................................................5 REFERENCIAS .....................................................5

RESUMEN Un tiristor es un dispositivo conmutador biestable que tiene la propiedad de pasar rápidamente al estado “ON” (encendido) para una plena corriente de trabajo cuando recibe un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, y sólo puede ser puesto en “OFF” (apagado) con la interrupción de la corriente principal de trabajo, interrumpiendo el circuito o haciendo circular una corriente de sentido contrario. Son el equivalente sólido de los interruptores mecánicos, por lo cual dejan pasar plenamente o bloquean por completo el paso de la corriente de trabajo, sin niveles intermedios; o todo o nada. El SCR es un pequeño dispositivo de tres terminales, o bornes, que hace el mismo trabajo semiconductor de un diodo normal (deja pasar la corriente en un solo sentido), pero con la diferencia de que en este se puede controlar el

MARCO TEÓRICO TIRISTOR Un tiristor es un dispositivo conmutador biestable que tiene la propiedad de pasar rápidamente al estado “ON” (encendido) para una plena corriente de trabajo cuando recibe un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, y sólo puede ser puesto en “OFF” (apagado) con la interrupción de la corriente principal de trabajo, interrumpiendo el circuito o haciendo circular una corriente de sentido contrario. Los tiristores son usualmente dispositivos de mediana y de alta potencia. Son el equivalente sólido de los interruptores mecánicos, por lo cual dejan pasar plenamente o bloquean por completo el paso de la corriente de trabajo, sin niveles intermedios; o todo o nada. Al grupo de los tiristores pertenecen dispositivos tales como el DIAC, equivalente a dos diodos zener puestos en serie pero en sentidos inversos, o sea que sólo conducen corrientes cuando estas alcanzan ciertos voltajes así sean alternas; el SCR, un rectificador de conducción controlada; el TRIAC, equivalente a dos SCR en contra paralelo; el QUADRAC, o

sea, un TRIAC con un DIAC incluido en serie con el terminal gate; el PUT, el fototiristor, el SUS, el SBS, entre otros.

TEORÍA Y OPERACIÓN

FORMAS DE ONDA EN EL SCR

El SCR es un pequeño dispositivo de tres terminales, o bornes, que hace el mismo trabajo semiconductor de un diodo normal (deja pasar la corriente en un solo sentido), pero con la diferencia de que en este se puede controlar el momento en el cual pueden comenzar a pasar los electrones.

Los términos popularmente utilizados para deSCRibir como está operando un SCR, son ángulos de disparo y ángulos de conducción. El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo ac durante los cuales el SCR está en conducción. El ángulo de disparo es el número de grados de un ciclo ac que transcurren antes que el SCR pase al estado de conducción.

El primer terminal recibe el nombre de cátodo, y es utilizado como entrada de corriente. El segundo sirve de salida, y se le conoce como ánodo. El tercero es el gate, o terminal de control para el paso de corriente cátodo - ánodo.

La figura 1.2 muestra las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de disparo.

El gate, llamado también terminal de “arranque” o “encendido” del tiristor, sólo sirve para iniciar el paso de corriente entre las otras dos terminales, lo que logra con una corriente muy pequeña (unos 20 mA). Un SCR actúa de manera muy similar a un interruptor. Cuando está conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como un interruptor cerrado. Cuando está bloqueado, no puede fluir corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como interruptor abierto. Debido a que es un dispositivo de estado sólido, la conmutación de un SCR es muy rápida. El símbolo eléctrico del SCR se observa en la figura 1.1. Figura 1.2. Formas de onda del SCR

Figura 1.1. Símbolo eléctrico del SCR.

Cuando el ciclo de ac empieza su ciclo de alternancia positiva, el SCR está bloqueado. Por tanto, el voltaje instantáneo a través de sus terminales ánodo y cátodo es igual al voltaje de la fuente. Esto es justamente lo que sucedería si se colocara un interruptor abierto en lugar del 1

SCR. El SCR está tumbando la totalidad del voltaje de la fuente, el voltaje a través de la carga es 0 V durante ese tiempo. El extremo inferior de las formas de onda de la figura 10 ilustra este hecho. Más adelante a la derecha del eje horizontal, la figura muestra que el voltaje de ánodo a cátodo cae a 0 después de cerca de un tercio del semiciclo positivo; este es el punto correspondiente a 60o. Cuando el voltaje de ánodo a cátodo cae a 0, el SCR ha sido “cebado” o ha pasado al estado de conducción. Por tanto, en ese caso, el ángulo de disparo es de 60o. Durante los próximos 120o el SCR actúa como un interruptor cerrado a través de sus terminales. Siendo el ángulo de conducción de 120o. La forma de onda del voltaje en la carga de la figura10 muestra que cuando el SCR es “cebado”, el voltaje de la fuente se aplica a la carga. El voltaje de la carga sigue al voltaje de la fuente por el resto del semiciclo positivo, hasta que el SCR se bloquea de nuevo. El bloqueo del SCR ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero.

corriente a través de sus terminales principales (de ánodo a cátodo). El SCR, aun cuando se polarice directamente, permanece normalmente bloqueado hasta el momento en que se le hace conducir por medio de una señal de corriente aplicada sobre su electrodo de mando, la compuerta, quien determina cuándo el rectificador conmuta del estado de bloqueo (circuito abierto) al estado de conducción (circuito cerrado). Para activar al SCR no es suficiente polarizarlo directamente (ánodo+, cátodo-). También es necesario aplicar en la compuerta un pulso de duración y magnitud suficientes para establecer una corriente de disparo, denominada IGT con valores comprendidos entre 0.1 y 20 mA, que dispare al SCR poniéndolo en conducción. Este pulso de corriente de puerta puede ser tan corto como 4 mseg. y su magnitud de unos pocos miliamperes. La figura 1.3 presenta el voltaje puerta a cátodo y corriente de puerta necesarios para cebar a un SCR.

En general, estas formas de onda muestran que antes de “cebado” el SCR, la totalidad del voltaje de la fuente cae en terminales del SCR y la carga recibe cero voltaje. Después de cebado el SCR, la totalidad del voltaje de la fuente cae en la carga, y el SCR tiene cero voltaje. Figura 1.3. Voltaje y corriente de puerta.

CARACTERÍSTICAS DE PUERTA Como ya se mencionó, el SCR es un elemento de tres terminales y es unidireccional, como lo sugiere su mismo nombre en cuanto a que es un rectificador. Además de sus dos terminales principales: ánodo y cátodo, el SCR posee un tercer electrodo de mando, llamado Compuerta (o puerta), que controla el flujo de

Dado que entre puerta y cátodo hay una unión pn estándar, el voltaje entre estos terminales VGK será ligeramente mayor que 0.6 V. Uno de los atractivos del SCR es que mediante esta pequeña señal de mando es capaz de manejar corrientes tan altas como 200 A a más de 1000 V (en aplicaciones de potencia), 2

pudiendo desarrollar una frecuencia de operación cercana a 50 KHz. Además, puesto que el momento en que el SCR se dispara y entra en conducción puede determinarse con toda precisión, es posible gobernar a voluntad el valor medio de la corriente que fluye, a través del SCR, hacia una carga. Precisamente esta capacidad de control de la potencia, aunada a los altos rangos de corriente, voltaje y frecuencia de operación, y la alta velocidad de conmutación (siendo un dispositivo de estado sólido); son lo que hace del SCR un componente idóneo e indispensable en Electrónica de Potencia.

CIRCUITOS TÍPICOS DE CONTROL DE PUERTA El circuito típico de control de puerta más simple, algunas veces denominado circuito de disparo, se muestra en la figura1.4 . Este es un ejemplo de utilización de la misma fuente de voltaje para alimentar ambos circuitos, el circuito de control de puerta y el circuito de carga. El funcionamiento del circuito es el siguiente. Cuando la resistencia variable R2 se pone a cero, la resistencia fija R1 limita la corriente máxima de puerta. Esta corriente de puerta será suficientemente grande para disparar al SCR cuando la magnitud del voltaje de alimentación (Eac) sea pequeño. Por lo tanto, el ángulo de disparo será pequeño (idealmente=0) así como el valor promedio de la corriente por desfasamiento, y la máxima corriente de carga (IL). Cuando la resistencia variable R2 se pone a su máximo valor, la resistencia total del circuito de puerta (R1+R2) deberá ser tal que la corriente de puerta (iG) sea apenas suficiente para disparar al SCR cuando el voltaje de alimentación alcance su máxima amplitud. Esto es a los 90º del semiciclo positivo.

MÉTODOS ALTERNATIVOS DE CONEXIÓN DE LOS SCR A LA CARGA La figura 1.5a. muestra como dos SCR pueden combinarse con su transformador de toma central para efectuar un control de onda completa. Este circuito se asemeja bastante al rectificador de onda completa para una fuente de alimentación dc. Cuando el devanado secundario está en el semiciclo positivo, positivo arriba y negativo abajo, el SCR1 puede cebarse. Esto conecta la carga a la mitad superior del devanado secundario del transformador. Cuando el devanado secundario se encuentra en el semiciclo negativo, el SCR2, puede cebarse, conectando la carga a la mitad inferior del devanado secundario. La corriente a través de la carga siempre fluye en la misma dirección, tal como sucede en una fuente DC de onda completa. La figura 1.5b. muestra las formas de onda de voltaje en la carga y del voltaje ac de línea para un ángulo de disparo de 45º aproximadamente.

Figura 1.4. Control de Fase con resistencia variable

OBJETIVOS     

Determinar las características de un Tiristor Conectar el SCR para que conduzca en forma directa Determinar la corriente de mantenimiento Determinar la tensión y corriente de disparo. Medir el ángulo de disparo. 3

RESULTADOS

R2 300

A

RV1 52%

B C D 2k

U1 R1

SCR

500

Cuando se implementó el circuito en la práctica, los resultados obtenidos fueron muy aproximados a lo esperado teóricamente, ya que, para el valor de R2 mínimo se obtuvo un ángulo de disparo (visto en el osciloscopio), de unos 14º, y para el valor máximo de la misma resistencia, se logró un valor cercano a los 82º. Cabe mencionar que, debido a que R2 tenía un alcance aún mayor de lo requerido (4.7M, cuando se necesitaban 4.17M), el valor del ángulo de disparo pudo ser de casi 90º. El efecto visual logrado en el foco fue el siguiente: cuando se colocaba el potenciómetro R2 en su valor máximo, el foco apenas se encendía, pero a medida que se giraba hacia su mínimo valor, se incrementaba la intensidad de la luz que emitía, lográndose la máximo intensidad cuando R2 era prácticamente cero.

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CONCLUSIONES La corriente que activa el SCR puede ser de bajo valor, pues con solo un pulso de corriente este quedará activo. El voltaje que hay en el ánodo cae drásticamente al momento del encendido del SCR y queda siendo un voltaje aproximado de 0.8 v. Luego de encendido el SCR, no es necesario que la compuerta siga recibiendo corriente porque este seguirá conduciendo hasta que el voltaje disminuya a tal punto que se desactive. Los SCR nos permiten controlar el paso de corriente a determinadas ramas de un circuito previniendo daños y alargando la vida útil de estos. Según la referencia del SCR estos pueden controlar diferentes tipos de voltajes. Mientras no se aplique ninguna tensión en el GATE del SCR no se inicia la conducción, dado que esta es la clave para que el tiristor quede activo de forma “permanente” hasta que algo externo al él rompa la conducción. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control; debido a que el tiristor puede ser utilizado como interruptor de tipo electrónico.

REFERENCIAS Gil, G. (2006). Electrónica de potencia. Componentes, topologías y equipos: componentes, topologías y equipos. Editorial Paraninfo. Hart, D. W. (2004). Electrónica de Potencia. Prentice Hall. Muller, J. H. (s.f.). Electrónica de Potencia: Curso Superior. EDITORIAL REVERT´´E.

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