INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL ANTONIO JOSE CAMACHO GUIAS DE LABORATORIOS DE INDUSTRIAL II TEMA 3: CONTROL DE POTENCIA AC CON TRIAC - DIAC 3. OBJETIVOS:
Analizar el funcionamiento de un TRIAC, que controla ambas alternancias en un circuito de control de potencia. Analizar las principales características de voltaje y corriente de los dispositivos de disparo. Epl Eplic icar ar el fen! fen!me meno no de "ist "ist#r #res esis is que que se pres presen enta ta en los los circuitos de control de potencia utilizando el TRIAC. Analizar el funcionamiento de un TRIAC, con un circuito de control de potencia mediante el uso de una red de defasaje con diodos semiconductores y una red R.C.
3.1 EQUIPOS
$. %uente de ener&ía'A.C(, transformador )$*. +sciloscopio dual ultímetro'an-lo&o di&ital(
3.2. MATERIALES
)/ TRIAC )/ 0IAC 1/ 2ampara de )$* )/ Resistencias )3 o"mios. )/ Resistencias de 44 o"mios. )/ Resistencias Resistencias de )5 o"mios )/Resistencia de $5$ )/ 6otenciometro $735 7335 )/ Condensador de 3.)u%. )/ Condensador de 3.$u% Interruptores de una posici!n.
3.3 HERRAMIENTAS • • • •
)/ 6roto/ board )/ 6inzas planas )/ 6ela cable o corta frío )/ Conectores 'caimanes(.
1.
4.1 I8%+RACI+8 9A:ICA El funcionamiento del triodo de corriente alterna 'TRIAC(, es bastante similar a la del :CR. 2a diferencia radica en que #ste es unidireccional y en cambio el TRIAC, es bidireccional y por tanto permite el paso de la corriente a trav#s de la car&a en ambas direcciones, entre&ando y manejando el doble de la potencia con relaci!n al :CR. El triodo de corriente alterna 'TRIAC(, se puede utilizar como;
Control de velocidad de un motor Controlar la intensidad luminosa de una bombilla '0immer(. 2a temperatura de un "orno.
:in embar&o, es necesario aclarar que es de en forma an-lo&a al :CR, al TRIAC, solo puede ser disparado desde de 3< a =3< y su -n&ulo de conducci!n te!ricamente es de 3< a )>3< por cada semiperíodo. 4.7 C+8TR+2 0E2 TRI+0+ 0E C+RRIE8TE A2TER8A 'TRIAC(, E0IA8TE ?8 0I*I:+R RE:I:TI*+. 2ampara de )$*0C
)5
12VAC
6$735
%i&ura ). Control del TRIAC, con divisor de tensi!n. En este circuito de la fi&ura ), la malla conformada por R) y R*), act@a de forma an-lo&a a la empleada en el :CR, y determina la constante de tiempo que disparar- al TRIAC. 6ara realizar los c-lculos matem-ticos como se utilizaron en el :CR se deben de tener presente;
$.
Características del TRIAC 2a corriente mínima y m-ima de la compuerta del TRIAC. El voltaje de entrada *in. El voltaje m-imo entre T$ B T) El -n&ulo de disparo y conducci!n en este caso tomar los valores de )3< y =3< por ser circuito resistivo.
:i usted un -n&ulo de )3< y una amplitud de $.>*, entre el electrodo T$ y T) del TRIAC, cae pr-cticamente a 3.* y la tensi!n se aplica a la bombilla y por lo tanto se enciende a los )3< , permaneciendo así "asta los )>3< . A partir de los )>3<, se representa el semiperíodo ne&ativo de entrada y el :CR) interno se polariza inversamente y contin@a apa&ado. :in embar&o, cuando la amplitud de este semiperíodo ne&ativo a los )=3< , alcanza un valor de B$.>*, se le inyecta la corriente de compuerta IDT, y de nuevo se dispara el TRIAC. 6ara este momento, la tensi!n ne&ativa aplicada a la bombilla desde los )=3< y enciende, y permanece encendido "asta los 43<. 4.7.) %+RA: 0E +80A 0E2 C+8TR+2 0E2 TRIAC C+8 0I*I:+R 0E TE8:I+8 RE:I:TI*+
%i&ura $. %ormas de ondas de un control de TRIAC, con una resistencia mínima 4.
%i&ura4. %ormas de ondas de un control con TRIAC, con una resistencia m-ima. 2as fi&uras $ y 4, sintetizan los procesos anteriores. :i a"ora desplazamos el cursor R*), a la m-ima resistencia o sea la suma de R) FR*), tan pronto el semiperíodo positivo este presente y tiene una amplitud de =3< cercano a $.>* el :CR), se dispara y se enciende el TRIAC, con este activado se enciende la lampara de los =3< "asta los )>3< , como se puede observar en la fi&ura 4. Así, como el :CR y el TRIAC, con -n&ulo conducci!n mayor mantiene m-s tiempo encendido la bombilla por el semiperíodo y por lo tanto, est- presenta mas brillo y disipa m-s potencia. 4.7.$ 0I:6ARA80+ E2 TRI+0+ 0E C+RRIE8TE A2TER8A TRIAC A ?8 A8D?2+ 0E 3< A )>3< 6ara este caso, se introduce en la malla de disparo un condensador, disponiendo así de una constante de tiempo i&ual al producto de RC. En este condensador C), el voltaje esta atrasado con relaci!n a la red. Así el condensador adquirir- un determinado nivel de tensi!n y de acuerdo a la reactancia capacitiva de est#, a una frecuencia de 3Gz. 1.
2ampara de )$*0C
)5
$735
12VAC
%i&ura 1. Control del TRIAC, con una red de tiempo RC. Con base a este concepto, es evidente que el nivel de disparo del TRIAC, se puede alcanzar m-s tarde o temprano dependiendo de la posici!n del cursor R*), el proceso de diseHo, es el mismo que se utilizo para el :CR. 2a velocidad de car&a del condensador C), se ajusta por medio de resistencia R*). La ress!e"#a RV1 $e %a&'r (ra"$e: la velocidad de car&a del condensador C), es lenta, produciendo un -n&ulo de disparo &rande y un promedio de corriente de car&a es pequeHa. La ress!e"#a RV1 $e %a&'r )e*+e,': velocidad de car&a del condensador C), en r-pida, el -n&ulo disparo es pequeHo y la corriente de car&a es &rande. La re$ $e !e)' RC ' $'&e RC , puede retardar el disparo del TRIAC, por encima de =3<. 2ampara de )$*0C
1K Ω
)$ *AC P=250K
33
)3 Ω
C$ 3.$u% $33*
%i&ura 7. Control del TRIAC, con doble red de tiempo RC. 7.
4. E2 0I+0+ 0E C+RRIE8TE A2TER8A 0IAC :i a la estructura del TRIAC, se le quita una capa 81 y el terminal de la puerta obtenemos un nuevo elemento compuesto por dos tiristores en antí/paralelo. 0ic"o elemento est- preparado para conducir en los dos sentidos entre sus terminales, y se conoce con el nombre de 0IAC. 2a curva característica del 0IAC, es i&ualmente sim#trica respecto del ori&en, pero s!lo cuenta con una curva, ya que no dispone de terminal de puerta. +tra diferencia respecto al TRIAC, es que la tensi!n a la que se produce el cebado suele estar alrededor de ± 4$*.
%i&ura . Curva característica y símbolo del 0IAC. 0ebido al comportamiento bidereccional y a su bajo valor de tensi!n de cebado, se suele emplear como elemento de disparo de un :CR, y un TRIAC, Cuadrac. El tiempo de disparo para el TRIAC, debe ser sim#trico para ambos semiperíodos, aprovec"ando la constante de tiempo de la red RC, del circuito, pero esto no es así. Es posible que durante el primer semiperíodo, el condensador C), manten&a una car&a residual y est- con la presencia del semiperíodo ne&ativo, necesite menor tiempo para disparar el TRIAC. 6ara obviar lo anterior, se cre! el 0IAC, que sirve para disparar el TRIAC, en forma sim#trica. 2a potencia disipada por el 0IAC, esta cercano a los $73m, para los que tienen presentaci!n similar a la de un diodo y de 433m para aquellos con apariencia a la de un pequeHo transistor de dos terminales. 2a corriente de ruptura inicial I 9+, est- cercana a un ) mA. :i embar&o, el valor final de est- depende de la resistencia limitadora de corriente. 8o obstante lo anterior, puede soportar picos de corrientes cercanos a los $ A, con ratas de disparo de )$3GJ.
. 4..) CIRC?IT+ 0E 6R?E9A 0E2 0IAC
22K Ω
40 VAC
%i&ura . 6rueba del diodo de corriente alterna 0IAC. El circuito de la fi&ura , se realiza la prueba de un 0IAC. El condensador C$, tiende a car&arse al *CC, sin embar&o, cuando alcance la tensi!n de ruptura el 0IAC, este conduce y el condensador C$, se descar&a a trav#s de #l. Este proceso se repite cada $ se&undos, &enerando un diente de sierra. El voltímetro no indica la tensi!n de ruptura * 9+. 4..$ C+8EKIL8 0E2 TRIAC 0I:6ARA0+ 6+R ?8 0IAC 1 2ampara de )$*0C
$5$
13 *AC
250K Ω
DIAC
%i&ura >. Circuito de disparo del TRIAC con un 0IAC. 2a fi&ura >, se muestra la conei!n típica de un 0IAC con un TRIAC, en serie con el tramo de la puerta y el terminal T). Con base a los conceptos anteriores, de acuerdo a la constante de tiempo RC, cuando el condensador C), alcance un nivel de car&a aproimado de F4$* o de tensi!n de ruptura * 9+, para cualquier otro 0IAC, se dispara y torna conductor y al "acerlo dispara y enciende el TRIAC. .
Al encenderse el TRIAC, el condensador C), se descar&a parcialmente a trav#s del tramo puerta y T) y completa dic"a descar&a a trav#s de los dos electrodos principales T) y T$ y las resistencias R) y R*). Como el condensador C), adquiere su nivel de car&a m-s tarde o m-s temprano, dependiendo de su constante de tiempo RC, es evidente que su ran&o de disparo se puede lo&rar dentro de los )>3< , variando a R*). 2a presencia del semiperíodo ne&ativo se presenta la misma constante de tiempo el disparo y el encendido del TRIAC. 0e "ec"o por ser el 0IAC, un diodo de disparo sim#trico, así mismo ser- la forma de onda sobre la car&a o R2. 6or medio de R*), se puede variar el -n&ulo de conducci!n de 3< a )>3<. 4..4 %+RA: 0E +80A 0E ?8 C+8TR+2 0E 6+TE8CIA C+8 TRIAC M 0IAC
*T$ B T)
*R2
vc
%i&ura =. %ormas de ondas de un circuito formado por TRIAC y 0IAC. 2a fi&ura =, se observa que la tensi!n aplicada en la car&a no es i&ual en todos los semiciclos, siendo menor en el primero de ellos. Esto se debe a la descar&a parcial que sufre el condensador C), en el momento de cebado del TRIAC, con lo que en el si&uiente semiciclo se alcanzar- antes de la tensi!n de cebado del 0IAC, se conoce con el nombre de "ist#resis. >.
*C*R2
El fen!meno de "ist#resis efecto totalmente indeseable en cualquier circuito de re&ulaci!n de potencia, ya que no permite una re&ulaci!n precisa desde el principio, siendo necesario ajustar un -n&ulo de conducci!n elevado, para posteriormente aumentar el R*), si lo que se pretende es una baja potencia de car&a. Este fen!meno se caracteriza por dos posiciones diferentes del cursor R*), una para cuando el TRIAC, esta encendido y otra cuando est# este apa&ado. Aparentemente los valores de R*) debe de tener el mismo valor cuando se enciende y cuando se apa&a. Cuando se incrementa la resistencia R*), para retornar al encendido del TRIAC, con -n&ulo θ, es decir con el mínimo brillo, eventualmente se observa que la resistencia del circuito se "ace tan &rande que no alcanza a producir el nivel de car&a para el condensador y el 0IAC, no alcanza tampoco a obtener la tensi!n de transici!n de su estado. En consecuencia, vemos como la bombilla se apa&a y no se vuelve a encender. :e "ace necesario disminuir el valor !"mico de R*), para disparar el 0IAC, y encender de nuevo el TRIAC. 6ara minimizar el efecto de "ist#resis, se optimiza el circuito tal como aparece en la fi&ura )3. 1 2amparas de )$ *0C
$5$
10Ω
13 *AC $735Ω
%i&ura )3. Circuito de control del TRIAC con el 0IAC con doble constante de tiempo RC. Allí, se coloca una resistencia R$, en serie con el 0IAC. Adem-s se adiciona un se&undo condensador C$, así se dispone de una se&unda constante de tiempo. 2a idea es mantener m-s tiempo encendido el 0IAC, qui#n retiene por m-s tiempo su nivel de car&a y obra como una se&unda fuente para el condensador C$. :i el condensador C$, se tiende a descar&ar, el condensador C), vuelve y lo car&a. =.
0e este modo, el condensador C), obra como una fuente de ener&ía que permite disminuir el -n&ulo de conducci!n del TRIAC, sobre la car&a por medio de R*), cuando el condensador C$, se car&a a un nivel mayor de lo esperado. 4. E2 C?A0RAC
%i&ura )). El símbolo del Cuadrac. Teniendo en cuenta las bondades del TRIAC, disparado por un 0IAC, se fabrica un dispositivo que incorpora ambos elementos y es llamado Cuadrac. 6ara diferenciarlo de un TRIAC com@n y corriente, basta medirlo con un !"metro di&ital o un an-lo&o. Al medir su resistencia entre cualquier de sus electrodos, este marca alta resistencia como si estuviese abierto. $.7 0E:ARR+22+ 0E 2A ACTI*I0A0 8?ER+ TRE: A( 6REI8%+RE ). 2eer la &uía de trabajo $. Analizar el funcionamiento de cada uno de los circuitos. 4. Calcular *m-/m-, *in, R T R) F R*), * A*, IR:, Im-, 6 A* para los si&uiente -n&ulo de disparo y conducci!n 73< , 7< y =3< para el circuito de la fi&ura ), y la fi&ura 1, con los mismos -n&ulos mas un -n&ulo de )$7
Circuito de control con TRIAC, con divisor de tensi!n
). Armar el circuito de la fi&ura ). a( Con los datos obtenidos en preinforme vamos a medir y dibujar las formas de ondas del; )3.
b( *oltaje m-imo *m- B m- OOOOOOOOOOO c( *oltaje de car&a '*R2(, con los si&uientes -n&ulos de conducci!n; *R2'73< ( OOOOOOO *R2'7<( OOOOOO *R2'=3< ( OOOOOO d( *oltaje T$ BT)N '*in(, con los si&uientes -n&ulos de disparo; *T$/ T)'73< ( OOOOOOO *T$/T)'7<( OOOOOO *T$/T)'=3< ( OOOOOO e( 2a resistencia total RT '73< (OOOOOOOO RT'7< ( OOOOOO RT'=3< (OOOOOO f( El voltaje promedio * A*'73< (OOOO* A* '7< ( OOOOOO * A* '=3< (OOOOO &( edir Ima /ma OOOOOOOOO A "( edir la I Av'73< ( OOOOOOI A* '7< ( OOOOOO I A* '=3< ( OOOOOOO $. Circuito de control con TRIAC, con una red RC ). Armar el circuito de la fi&ura 1. a( 0ebe de tener presente los datos anteriores y m-s los -n&ulos de )$7< . b( edir la resistencia RT'73< ( OOOOOOOOORT'7< ( OOOOOOOOOO RT'=3< ( OOOOOORT')$3< ( OOOOOOOOO c( edir las caídas de voltajes *R2'73< ( OOOOOOOOOO *R2')$7< ( OOOOOOOO d( edir los voltajes '*co(, voltaje de &ate *D'73< ( OOOOOOOOOO *D')$7< ( OOOOOOOO 4. El control del TRIAC y doble red RC. a( Armar el circuito de la fi&ura 7. b( edir el voltaje de entrada *in OOOOOOOOO c( *oltaje de car&a '*R2(, con los si&uientes -n&ulos de conducci!n; *R2'73< ( OOOOOOO *R2'=3<( OOOOOO *R2')$7< ( OOOOOO d( *oltaje T$/T)N con los si&uientes -n&ulos de disparo; *T)/T$'73< ( OOOOOOO *T$/T)'=3<( OOOOOO *T$/T)')$3< ( OOOOOO e( edir la resistencia RT'73< (OOOOOOOOO RT'=3< (OOOOOO RT')$7< ( OOOOOO f( edir los voltajes '*c(, o voltaje de &ate *D'73< ( OOOOOOOOOO *D'=3< ( OOOOOOOOOO *D')$7< ( OOOOOOOO I* Control de disparo del TRIAC con 0IAC. ). Armar el circuito de la fi&ura > y )3. a( +bservar y dibujar las formas de onda *T$/T), *R2, *C b( PQu# sucede cuando s# varia el *R). $. I8%+RE ). 0eben presentar; C-lculos y ediciones realizadas en los circuitos. Gacer una síntesis del funcionamiento de cada uno de los circuitos analizados. Resolver la evaluaci!n o pre&untas. :acar conclusiones &enerales. )).
$..$ E*A2?ACI+8 ). $. 4. 1. 7. . . >.
PQu# sucede en la fi&ura 1, si variamos el condensador C). PQu# funci!n realiza el potenciometro R*) en circuitos anteriores. PCu-l es la funci!n de la red RC, en el circuito de la fi&ura 1. PCu-l es la diferencia que eiste en disparar el TRIAC, en corriente continua y alterna. PQu# se entiende por cuadrantes del disparo del TRIAC. PCu-l es la utilidad del 0IAC. Enumerar las formas de controlar la potencia entre&ada a una car&a mediante el TRIAC, citando las ventajas de cada forma. PQu# se conoce por el fen!meno de "ist#resis en un re&ulador de potencia. PC!mo se evita.
)$.
