Electronica de Mayan potencias Garciaaplicadas Vazquez
ANGULO DE DISPARO PARA UN SR
tarea
El parámetro SCR define la velocidad máxima en promedio a la que se pueden generar celdas para su transmisión en el origen. Es un parámetro similar a PCR (Peak Cell Rate) pero aplicado en promedio (a largo plao). El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio! "igura #)! es un dispositivo semiconductor $iesta$le formado por tres uniones pn con la disposición pnpn ("igura %). Está formado por tres terminales! llamados &nodo! Cátodo ' Puerta. a conducción entre ánodo ' cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es nico)! conmutador casi ideal! rectificador ' amplificador a la ve. variarse a*ustando la porci+n del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.. Relación de circuito entre la fuente de volta*e !un SCR ' la carga Como lo sugiere su nom$re! el SCR es un rectificador! por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de ca. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es mas positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR de la figura % no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. ,urante la otra mitad del ciclo! la polaridad de la fuente es negativa! ' esta polaridad negativa -ace que el SCR tenga polariaci+n inversa! evitando el paso de cualquier corriente a la carga. "R/0S ,E 1,0 ,E S SCR os t2rminos populares para descri$ir la operación de un SCR son ángulo de conducción ' ángulo de retardo de disparo. El ángulo de conducción es el numero de grados de un ciclo de ca durante los cuales el SCR esta encendido. El ángulo de retardo de disparo es el numero de grados de un ciclo de ca que transcurren antes de que el SCR sea encendido. Por supuesto! estos t2rminos están $asados en la noción de que el tiempo total del ciclo es igual a 3+4 grados. En la figura 3 se muestran las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de retardo de disparo. 0l momento que el ciclo de ca inicia su parte positiva! el SCR esta apagado. Por tanto tiene un volta*e instantáneo a trav2s de sus terminales de ánodo ' cátodo igual al volta*e de la fuente. Esto es exactamente lo que se ver5a si se colocara un interruptor a$ierto en un circuito en lugar del SCR. ,ado que el SCR interrumpe en su totalidad el suministro de volta*e! el volta*e a trav2s de la carga (6,) es cero durante este lapso. a extrema derec-a de las ondas ilustran estos -ec-os. /as a la derec-a en los e*es -oriontales! se muestra el volta*e de ánodo a cátodo (607) ca'endo a cero despu2s de aproximadamente un tercio del semiciclo positivo. Esto es el punto de +48. Cuando 607 cae a cero! el SCR se -a 9disparado9! o encendido. Por tanto! el ángulo de retardo de disparo es de +48. ,urante los siguientes #%48 el SCR se comporta como un interruptor cerrado sin volta*e aplicado a sus terminales. El ángulo de conducci+n es de #%48. El ángulo de retardo de disparo ' el ángulo de conducci+n siempre suman #:48. "igura3. "ormas de ondas ideales del volta*e de la terminal principal (607) ' el volta*e de carga de un SCR. Para un ángulo de retardo de disparo de unos +4o! un ángulo de conducción de #%4o. En la figura 3! la forma de onda del volta*e de carga muestra que! al dispararse el SCR! el volta*e de la fuente es aplicado a la carga. El volta*e de carga entonces sigue al volta*e de
la fuente por el resto del semiciclo positivo! -asta que el SCR nuevamente se apaga. El estado "" ocurre cuando el volta*e de la fuente pasa por cero. En general! estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se dispare! el volta*e es retirado de entre las terminales del SCR! ' la carga ve un volta*e cero. ,espu2s de -a$erse disparado el SCR! la totalidad del suministro de volta*e es retirado a trav2s de la carga! ' el SCR presenta volta*e cero. El SCR se comporta como un interruptor de acción rápida.
; Caracter5sticas ,E 0 C/P?) flu'e por la unión entre la compuerta ' el cátodo! ' sale del SCR por la terminal del cátodo. a cantidad de corriente de compuerta necesaria para disparar un SCR en particular se sim$olia por >?=. Para dispararse! la ma'or5a de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 4.# ' @4 m0 (>?= A 4.# B @4 m0). ,ado que -a' una unión pn estándar entre la compuerta ' el cátodo! el volta*e entre estas terminales (6?7) de$e ser ligeramente ma'or a 4.+ 6. En la figura se muestran las condiciones que de$en existir en la compuerta para que un SCR se dispare. "igura.6olta*e de compuerta a cátodo (6?7) ' corriente de compuerta (>?) necesarios para disparar un SCR. 07) caiga por de$a*o de un valor m5nimo! llamado corriente de retención! sim$oliada >D el SCR se apagara. Esto normalmente ocurre cuando la fuente de volta*e de ca pasa por cero a su región negativa. Para la ma'or5a de los SCR de tamao mediano! la >D es alrededor de #4 m0. CC0 G "<1C>10/>E1=. a curva caracter5stica del SCR es la representada en el siguiente 0ppletH
En el 0pplet se muestra la curva caracter5stica t5pica de un tiristor SCR! representándose la corriente de ánodo (>a) en función de la tensión aplicada entre ánodo ' cátodo (6ak). Cuando la tensión 6ak es nula! tam$i2n lo es la intensidad de corriente >a. 0l aumentar dic-a tensión en sentido directo! con corriente de puerta nula! si se supera la tensión 6$4! la transición de estado "" a 1 de*a de ser controlada. Si se desea que el paso al estado 919 se realice para tensiones 6ak inferiores a 6$4! será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (>g) adecuada para que dic-a transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganc-e (> ). Por el contrario! si el dispositivo esta en conducción! la transición al estado 9""9 se produce cuando la corriente de ánodo caiga por de$a*o de la intensidad de corriente de mantenimiento (>-).
=anto para el estado de $loqueo directo! como para el estado de polariación inversa! existen unas pequeas corrientes de fugas. Cuando se polaria inversamente se o$serva una d2$il corriente inversa (de fuga) -asta que alcana el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo. El SCR es! por tanto! un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante! en el cual el disparo se provoca porH B tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo ' cátodo! B intensidad en la puerta. Se puede controlar as5 la tensión necesaria entre ánodo ' cátodo para la transición "" I 1! usando la corriente de puerta adecuada. C0R0C=ERFS=>C0S ?E1ER0ES. J >nterruptor casi ideal. J Soporta tensiones altas. J 0mplificador efica. J Es capa de controlar grandes potencias. J "ácil controla$ilidad. J Relativa rapide. J Caracter5sticas en función de situaciones pasadas (memoria). C0R0C=ERFS=>C0S ES=&=>C0S. as caracter5sticas estáticas corresponden a la región ánodo B cátodo ' son los valores máximos que colocan al elemento en l5mite de sus posi$ilidadesH B =ensión inversa de pico de tra$a*o .............................................H 6RK/ B =ensión directa de pico repetitiva ...............................................H 6,R/ B =ensión directa ...........................................................................H 6= B Corriente directa media ...............................................................H >=06 B Corriente directa efica ................................................................H >=R/S B Corriente directa de fugas ............................................................H >,R/ B Corriente inversa de fugas ............................................................H >RR/ B Corriente de mantenimiento ..........................................................H >D as caracter5sticas t2rmicas a tener en cuenta al tra$a*ar con tiristores sonH B =emperatura de la unión ................................................................H =* B =emperatura de almacenamiento ...................................................H =stg B Resistencia t2rmica contenedorBdisipador ......................................H RcBd B Resistencia t2rmica uniónBcontenedor ............................................H R*Bc B Resistencia t2rmica uniónBam$iente.................................................H R*Ba B >mpedancia t2rmica uniónBcontenedor.............................................H L*Bc C0R0C=ERFS=>C0S ,E C1=R. Corresponden a la región puertaBcátodo ' determinan las propiedades del circuito de mando que responde me*or a las condiciones de disparo. os fa$ricantes definen las siguientes caracter5sticasH
B=ensión directa máx. ....................................................................H 6?"/ B =ensión inversa máx. ...................................................................H 6?R/ B Corriente máxima..........................................................................H >?/ B Potencia máxima ..........................................................................H P?/ B Potencia media .............................................................................H P?06 B =ensión puertaBcátodo para el encendido......................................H 6?= B =ensión residual máxima que no enciende ningn elemento.............H 6?1= B Corriente de puerta para el encendido ...........................................H >?= B Corriente residual máxima que no enciende ningn elemento............H >?1= Entre los anteriores destacanH B 6?= e >?= ! que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor. B 6?1= e >?1=! que dan los valores máximos de corriente ' de tensión! para los cuales en condiciones normales de temperatura! los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado. .%.# &rea de disparo seguro. En esta área ("igura 3) se o$tienen las condiciones de disparo del SCR. as tensiones ' corrientes admisi$les para el disparo se encuentran en el interior de la ona formada por las curvasH J Curva 0 ' MH l5mite superior e inferior de la tensión puer taBcátodo en función de la corriente positiva de puerta! para una corriente nula de ánodo. J Curva CH tensión directa de pico admisi$le 6?". J Curva ,H -ip2r$ola de la potencia media máxima P?06 que no de$emos so$repasar.
Curva caracter5sticas de puerta del tiristor. El diodo puerta (?) B cátodo (7) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntosH C0S ,>1&/>C0S. Caracter5sticas dinámicas. J =ensiones transitoriasH B 6alores de la tensión superpuestos a la seal de la fuente de alimentación. B Son $reves ' de gran amplitud. B a tensión inversa de pico no repetitiva (6RS/) de$e estar dentro de esos valores. J >mpulsos de corrienteH B Para cada tiristor se pu$lican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada ("igura ). B 0 ma'or valor del impuso de corriente! menor es la cantidad de ciclos. B El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.
. Curva de limitación de impulsos de corriente. J &ngulos de conducciónH B a corriente ' tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción. B 0 ma'or ángulo de conducción! se o$tiene a la salida ma'or potencia. B
=iempo de encendido. =iempo de apagado (=off)H Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos partes ("igura )H J =iempo de recuperación inversa (trr)H tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción del SCR! por polariación inversa de este! se eliminan parcialmente. J =iempo de recuperación de puerta (tgr)H tiempo en el que! en un nmero suficiente $a*o! las restantes cargas acumuladas se recom$inan por difusión! permitiendo que la puerta recupere su capacidad de go$ierno. =off A trr Q tgr
=iempo de apagado.
a extinción del tiristor se producirá por dos motivosH reducción de la corriente de ánodo por de$a*o de la corriente de mantenimiento ' por anulación de la corriente de ánodo.
C0R0C=ERFS=>C0S =R/>C0S. ,ependiendo de las condiciones de tra$a*o de un tiristor! 2ste disipa una cantidad de energ5a que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas! que a su ve provoca un aumento de la temperatura! creando un fenómeno de acumulación de calor que de$e ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.
/=,S ,E ,>SP0R. Para que se produca el ce$ado de un tiristor! la unión ánodo B cátodo de$e estar polariada en directo ' la seal de mando de$e permanecer un tiempo suficientemente larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo ma'or que >! corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que! una ve disparado! se mantenga en la ona de conducción de$erá circular una corriente m5nima de valor >D! marcando el paso del estado de conducción al estado de $loqueo directo. os distintos m2todos de disparo de los tiristores sonH B Por puerta.
B Por módulo de tensión. B Por gradiente de tensión (d6Tdt) B ,isparo por radiación. B ,isparo por temperatura. El modo usado normalmente es el disparo por puerta. os disparos por módulo ' gradiente de tensión son modos no deseados. ,>SP0R PR P? U R B R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia para o$tener la máxima seguridad en el disparo ("igura ). R A 6"? T >"?
Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia. ,>SP0R PR /V,< ,E =E1S>V1. Es el de$ido al mecanismo de multiplicación por avalanc-a. Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionadaW sin em$argo ocurre de forma fortuita provocada por so$re tensiones anormales en los equipos electrónicos. ,>SP0R PR ?R0,>E1=E ,E =E1S>V1. SP0R PR R0,>0C>V1. Está asociado a la creación de pares electrónB-ueco por la a$sorción de la lu del elemento semiconductor. El SCR activado por lu se llama 0SCR. ,>SP0R PR =E/PER0=
en las uniones del semiconductor. 0s5! la suma (a#Q a%) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. a tensión de ruptura permanece constante -asta un cierto valor de la temperatura ' disminu'e al aumentar 2sta. C1,>C>1ES 1ECES0R>0S P0R0 E C1=R ,E <1 SCR. Para el control en el disparoH B &nodo positivo respecto al cátodo. B a puerta de$e reci$ir un pulso positivo con respecto al cátodo. B En el momento del disparo >ak X >. Para el control en el corteH B 0nulamos la tensión 6ak. B >ncrementamos R -asta que >akY >D.
>/>=0C>1ES ,E =>R>S=R. >/>=0C>1ES ,E 0 "REC0 ,E "<1C>10/>E1=. B a frecuencia de tra$a*o en los SCR no puede superar ciertos valores. B El l5mite es atri$ui$le a la duración del proceso de apertura ' cierre del dispositivo. B a frecuencia rara ve supera los #4 7-. >/>=0C>1ES ,E 0 PE1,>E1=E ,E =E1S>V1 d6Tdt. 9d6Tdt9 es el valor m5nimo de la pendiente de tensión por de$a*o del cual no se producen picos transitorios de tensión de corta duración! gran amplitud ' elevada velocidad de crecimiento. a) CausasH B a alimentación principal produce transitorios dif5ciles de prever en aparición! duración (inversamente proporcional a su amplitud) ' amplitud. B os contactores entre la alimentación de tensión ' el equipoH cu'a apertura ' cierre pueden producir transitorios de elevada relación d6Tdt (-asta #.444 6TZs) produciendo el $asculamiento del dispositivo. B a conmutación de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de tensión. $) EfectosH B Puede provocar el ce$ado del tiristor! perdiendo el control del dispositivo. B a d6Tdt admisi$le varia con la temperatura. >/>=0C>1ES ,E 0 PE1,>E1=E ,E >1=E1S>,0, d>Tdt. 9d>Tdt9 es el valor m5nimo de la pendiente de la intensidad por de$a*o de la cual no se producen puntos calientes. a) CausasH B ,urante el ce$ado! la ona de conducción se reduce a una parte del cátodo cerca de la puerta! si el circuito exterior impone un crecimiento rápido de la intensidad! en esta ona la densidad de corriente puede alcanar un gran valor.
B Como el cristal no es -omog2neo! existen onas donde la densidad de >ntensidad es ma'or (puntos calientes). $) EfectosH B En la conmutación de $loqueo a conducción la potencia instantánea puede alcanar valores mu' altos. B a energ5a disipada producirá un calentamiento que! de alcanar el l5mite t2rmico cr5tico! podr5a destruir el dispositivo. PR=ECC>1ES C1=R0 d6Tdt G d>Tdt. SoluciónH colocar una red RC en paralelo con el SCR ' una en serie. CalculoH m2todo de la constante de tiempo ' m2todo de la resonancia. Circuito de protección contra d6Tdt ' d>Tdt. /2todo de la constante de tiempo. J Cálculo de R ' CH #. Se calcula el valor m5nimo de la constante de tiempo [ de la d6Tdt del dispositivo ' el valor de R ' CH [ A ( 4!+3 U 6,R/ ) T ( d6Tdt )m5n C A [ T R Rs A 60(máx) T ( >=S/ B > ) U \ dondeH 6,R/ A tensión de pico repetitiva de $loqueo directo. > A corriente en la carga. R A resistencia de carga. >=S/ A corriente directa de pico no repetitiva. 60(máx) A tensión de ánodo máxima. \ A coeficiente de seguridad (de 4! a 4!#). %. Dallamos el valor de Rm5n que asegura la no superación de la d>Tdt máxima especificada (a partir de la ecuación de descarga de C)H R m5n A ( 60(máx) T ( d> Tdt ) U C )] J Cálculo de H A 60(máx) T ( d> T dt) /2todo de la resonancia. B Elegimos R! ' C para entrar en resonancia. El valor de la frecuencia esH f A (d6 T dt ) T %p 60 (máx) En resonanciaH f A # T %p (C)] I C A # T ( %pf )% El valor de es el que más nos interese! normalmenteH A @4 ZD. El valor de R seráH Rs A ( T C)]
>/>=0C>1ES ,E 0 =E/PER0=
a potencia disipada en los tiristores durante la conducción! es muc-o ma'or que la disipada durante el $loqueo ' que la potencia disipada en la unión puerta B cátodo. Podemos decir que las p2rdidas con una tensión de alimentación dada ' una carga fi*a! aumentan con el ángulo de conducción (^). Si la conducción se inicia en t# ' termina en t%! la potencia media de perdidas seráH Si representamos la 607 en función de la >0! tendremos la siguiente relaciónH 607 A 64 Q >0 U R 64 ' R son valores aproximadamente constantes para una determinada familia de tiristores ' para una determinada temperatura de la unión. En 2ste caso nos encontraremos dentro de la ona directa de la curva caracter5stica ("igura #%).
perando con las ecuaciones anterioresH P06 A 64 U >0(06) Q R U ( >0(R/S))% Esta ecuación se encuentra representada mediante curvas para distintas formas de onda (sinusoidal! rectangular!...) ' para distintos ángulos de conducción en la figura siguiente. a potencia que se disipa! depende del valor medio de la corriente ' del valor efica! entonces dependerá del factor de formaH a A f A >0(R/S) T >0(06) 1C>V1 ,E =>R>S=R. =>PS ,E C1/<=0C>V1. Entenderemos por extinción! el proceso mediante el cual! o$ligaremos al tiristor que esta$a en conducción a pasar a corte. En el momento en que un tiristor empiea a conducir! perdemos completamente el control so$re el mismo.
El tiristor de$e presentar en el tiempo ciertas condiciones para pasar de nuevo a corte. Este estado implica simultáneamente dos cosasH #. a corriente que circula por el dispositivo de$e quedar completamente $loqueada. %. a aplicación de una tensión positiva entre ánodo ' cátodo no de$e provocar un disparo indeseado del tiristor. Existen diversas formas de conmutar un tiristor! sin em$argo podemos agruparlos en dos grandes gruposH C1/<=0C>V1 10=V1 "RL0,0. a) Por contacto mecánico. $) Por circuito resonante. BSerie BParalelo c) Por carga de condensador. d) Por tiristor auxiliar.
0P>C0C>1ES ,E SCR. as aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas! en lugar de los diodos convencionales -asta la realiación de determinadas conmutaciones de $a*a potencia en circuitos electrónicos! pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna. a principal venta*a que presentan frente a los diodos cuando se les utilia como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la seal de puerta. ,e esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se -ace variar el momento del disparo 'a que se o$tendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. 0demás el tiristor se $loqueará automáticamente al cam$iar la alternancia de positiva a negativa 'a que en este momento empeará a reci$ir tensión inversa. Por lo anteriormente sealado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones! entre ellas están las siguientesH ` Controles de relevador. ` Circuitos de retardo de tiempo. ` "uentes de alimentación reguladas. ` >nterruptores estáticos. ` Controles de motores. ` Recortadores.
` >nversores. ` Ciclo conversores. ` Cargadores de $ater5as. ` Circuitos de protección. ` Controles de calefacción. ` Controles de fase.
