UNIDAD 3.CIRCUITOS DE DISPARO
TIRISTORES
Los tiristores se operan como conmutadores biestables, para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. Los tiristores tiristores son fabricados fabricados por difusión. difusión.
Definición 1 Es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con 3 uniones pn. Tiene tres términales, ánodo, cátodo y compuerta.
A
Anodo
A
p n G
p
Compuerta
G
J1 J2 J3
n K
K
Cátodo
Figura 1: Símbolos del tiristor y tres uniones pn. Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J 1 y J 3 tienen polarización directa o positiva. La unión J 2 tiene polarización inversa, y sólo fluirá una pequeña corriente de fuga al ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente de fuga corriente de estado inactivo I D . Si el voltaje ánodo-cátodo V AK AK se incrementa a un valor lo su ficientemente grande, la unión J 2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa V BO. BO.
Figura 2: Curva característica de voltaje-corriente de un tiristor (SCR).
1
Dado que las uniones J 1 y J 3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocará una corriente corriente directa del ánodo. Entonces el dispositivo está en estado de conducción o activado. La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche I L , a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario ,al reducirse el voltaje V AK , el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente I L es el valor mínimo requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y no hay control sobre el dispsitivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J 2 no exista una región de agotamiento debida a movimientos libre de los portadores. Sin embargo, si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento I H , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J 2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es mayor que la corriente de enganche ( I L ›I H ). La corriente de mantenimiento I H es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de regimen permanente. Un tiristor se puede activar aumentado el voltaje directo de V AK más allá de V BO , pero esta forma de activarlo puede ser destructiva.
ACTIVACION DEL TIRISTOR Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede lograr mediante:
Corriente de compuerta.- Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una I G al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las términales activará al tiristor. Conforme se aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo. Después de la aplicación de la señal de compuerta, existe un retraso llamado tiempo de activación t on entre la aplicación de la señal de la compuerta y la conducción de un tiristor. t on se define como el intervalo de tiempo entre el 10 % de I G (0.1 I G ) y el 90% de la corriente activa del tiristor en régimen permanente (0.9 I T ). t on es la suma del tiempo de retraso td y el tiempo de elevación tr . td se define como el intervalo de tiempo entre el 10 % de la corriente de compuerta (0.1 I G) y el 10 % de la corriente activa del tiristor (0.1 I T ). tr es el tiempo requerido para que la corriente del ánodo se eleve del 10 % del estado activo (0.1 I T ) al 90 % de la corriente en estado activo (0.9 I T ).
Figura 3: Características de activación.
2
Térmica. Luz. Alto voltaje. dv/dt. Es necesario tomar en cuenta los siguientes puntos para diseñar un circuito de control de compuerta. 1.- La señal de compuerta debe eliminarse después de activarse el tiristor. 2.- Mientres el tiristor esté con polarización inversa, no debe haber señal de compuerta, de lo contrario, el tiristor puede fallar debido a una corriente de fuga incrementada. 3.- El ancho del pulso de la compuerta tG debe ser mayor que el tiempo requerido para que la corriente del ánodo se eleve al valor de corriente de mantenimiento I H (tG › ton).
DESACTIVACION DEL TIRISTOR Un tiristor se puede desactivar reduciendo la corriente directa a un nivel por debajo de la corriente de mantenimiento I H . En todas las técnicas de conmutación, la corriente del ánodo se mantiene por debajo de la corriente de mantenimiento durante un tiempo lo su ficientemente largo. por lo común un tiristor se activa mediante un pulso de señal de compuerta. La conmutación es el proceso de desactivación de un tiristor, y por lo general causa la transferencia del flujo de corriente a otras partes del circuito. En términos generales tenemos la siguiente clasi ficación: 1).- Conmutación general 2).- Conmutación forzada
CLASIFICACION DE LOS TIRISTORES Se fabrican exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo toda el área de unión, desde el punto cercano a la compuerta para activar el tiristor.
Figura 4: Esquemas de diferentes tirisrores.
3
finito
para propagarse por
1.- Tiristores de control de fase (SCR). Operan a la frecuencia de línea, y se desctivan por conmutación natural. También es conocido como recti fi cador controldo de silicio (SCR). Los tiristores modernos utilizan una compuerta amplificadora, en la que se dispara un tiristor auxiliar mediante una señal de compuerta al tiristor principal.
Figura 5: Estructura de un SCR. los términos populares para describir la operación de un SCR son ángulo de condición ( γ ) y ángulo de retardo de disparo ( α). El ángulo de conducción es el numero de grados de un ciclo de ca durante los cuales el SCR está en operación. El ángulo de retardo de disparo es el número de grados de un ciclo de ca que transcurre antes de que el SCR se enienda , estos es, empiece a conducir.En términos generales recuerde que: α + γ = 180 Para dispararse, la mayoría de los SCR requieren una corriente de compuerta entre 0.1 y 50 mA ( I GT = 0,1 − 50 mA). Dado que existe una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre estas términales ( V GK ) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V. ◦
Figura 6: Voltaje de compuerta a cátodo ( V GK ) y corriente de compuerta ( I GT ) necesarios para disparar un SCR.
4
2.- Tiristores de conmutación rápida (SCR).
Figura 7: Corte transversal de un SCR. 3.- Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 4.- Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y normalmente se utiliza en el control de fase de ca (por ejemplo, controladores de voltaje de ca). Se pueden considerar como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo.
Figura 8: Características dinámicas del TRIAC.
5
5.- Tiristores de conducción inversa (RCT). 6.- Tiristores de inducción estática (SITH). 7.- Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). Estos dispositivos se activan mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los LASCR se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes], controles ópticos de luz, relevadores, controles de fase, controles de motores. 8.- Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 9.- Tiristores controlados por MOS (MCT).
DIAC El DIAC es básicamente una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección. En la grá fica se puede observar que existe un voltaje de transición conductiva en cualquier dirección. Ninguna terminal se denomina como el cátodo, existe un ánodo 1 y un ánodo 2. Cuando el ánodo 1 es positivo con respecto al ánodo 2, las capas del semiconductor de interés particular serán p1 n2 p2 y n3 . Para el caso cuando el ánodo 2 es positivo con respecto al ánodo 1, las capas relevantes serán p2n2 p1 y n1 .. Los voltajes de transición conductiva son de magnitud muy cercana entre sí, pero pueden variar de un mínimo de 28 V hasta un máximo de 42 V, y se relacionan mediante la siguiente ecuación:
Figura 9: Características dinámicas y símbolo del del DIAC
V BR1 = V BR2 + 0,1V BR1
Los valores de I BR1 e I BR2 son muy cercanos en magnitud, entre niveles de los 200 μA = 0.2 mA.
6
CIRCUITOS DE CONTROL Y DISPARO DE LA COMPUERTA Los circuitos de control de disparode compuerta más empleado son los siguientes: El circuito anterior tiene la
Figura 10: Circuito de disparo sencillo de un SCR. desventaja que sólo pueden obtenerse variaciones de ángulo entre 0 y 90 , loc cuales sólo pueden lograrse mediante un cálculo adecuado de las resistencias fi jas y variables La ventaje del circuito (11) es que el ángulo de retardo de ◦
◦
Figura 11: Circuito de control de compuerta SCR que es una mejora sobre el circuito de control sencillo. disparo se puede llevar más allá de los 90 . debido al uso del capacitor, el cual puede almacenar energía. ◦
Figura 12: Circuitos de control de disparo de un SCR mejorados.
7
Cualquiera de los dos circuitos mostrados en la figura (12) ofrecen mejores resultados que el circuito de la figura (11). El circuito a ofrece un mejor resultado que los mencionados anteriormente debido al uso de capacitores y de la resistencia colocada antes de la compuerta, con lo que se asegura una carga mayor a 0,6V para que pueda ser disparado el SCR. El circuito b) muestra una doble red RC para el control de compuerta. En este esquema, el voltaje retardado a través de C 1 es usado para cargar a C 2, lo que da por resultado un retardo aún mayor en la acumulación del voltaje de la compuerta. Los capacitores de la figura (12) generalmente caen en el rango de 0,01a1μF. Las constantes de tiempo: (R1 + R2 )C = 1mseg − 30mseg (R1 + R2 )C 1 = 1mseg − 30mseg (R3 )C 2 = 1mseg − 30mseg
8
EJERCICIOS 1.- ¿Qué condición causaría la corriente de carga mayor en la figura (13): unángulo de retardo de disparo de 60 o un ángulo de retardo de disparo de 135 ?
◦
◦
Figura 13: Esquema simple de un recti ficador monofásico controlado de media onda mediante un SCR con una carga netamente resistiva.
Solución. El ángulo de retardo disparo de 60 ,ya que el SCR entonces pasaría una parte mayor del tiempo del ◦
ciclo en estado de encendido (ON). Entre más tirmpo esté en el estado de necendido, mayor sera la corriente de carga promedio.
Figura 14: Formas de onda ideales del voltaje de la terminal en el ánodo-cátodo del SCRy el voltaje de carga patra a) 60 y b)135 . ◦
◦
2.- Para el circuito de la figura (15). ¿qué voltaje se requiere en el punto X para disparar el SCR? Bajo condiciones normales, la corriente de compuerta necesaria para disparar un 2N3669 es de 20 mA.
Figura 15: Esquema del SCR con un resistor en la terminal de compuerta, y su terminal de cátodo conectada a un circuito de tierra.
9
Solución. El voltaje entre el punto X y el cátodo debe ser su ficiente para lograr la polarización en directa de la unión entre los puntos G y K y también para causar el flujo de20mA a través de la resistencia de 150Ω.El voltaje de polarización directa es de aproximadamente 0.7 V. Por medio de la ley de Ohm se obtiene: V total = (20mA) ∗ (150Ω) + 0,7V = 3,7V.
3.- En cuanto a la figura (10), supóngase que la fuente de alimentación es de 115 V rms, I GT = 15mA y R1 = 3 k Ω.Se desea que el retardo ocurra a 90 . ¿A qué valor debe ajustarse R2? ◦
Solución. A 90 , la fuente de voltaje instantánea es de ◦
√
V m = (115V )( 2 = 162V
Ignorando la caída de voltaje de la carga y la caída de 0,7V a través de la unión compuerta-cátodo (ambos son insignificantes comparados con los 162V ), el resistor total en la terminal de la compuerta está dada por: RT =
162V = 10 ,8kΩ 15mA
por lo tanto R2 = 10,8kΩ − 3k Ω = 7,8kΩ
4.- Supóngase que se ha decidido usar C 1 = 0 ,068μF y C 2 = 0,033μF en el circuito de control de compuerta de la figura (12 b). a) Aproxime los valores de R1, R2 y R3 para dar un rango amplio de a justes de disparo. b) Si se construyerá el circuito y se descubriera que no se puede ajustar el ángulo de retardo de disparo a menos de 45 ,¿qué resistor cambiaría experimentalmente para permitir ajustes a menos de 40 ? ◦
◦
Solución. a) La constante de tiempo (R1 + R2 )C 1 debe caer en el rango de aproximadamente 1mseg − 30mseg.
Para permitir un rango de ajuste amplio, la constante de tiempo debe poder ajustarse sobre una gran parte de ese rango. como una estimación se podría intentar un rango de ajuste de 2X 10 3 seg a 25X 10 3 seg. La constante de tiempo mínima ocurre cuando R2 no presenta resistencia, por lo que: −
−
(R1 + 0) ∗ (0,068μF ) = 2X 10 3 seg R1 = 29,4kΩ −
El tamaño estándar más cercano es de 27kΩ. La constante de tiempo máxima (y elretardo de disparo máximo) ocurre cuando R2 está a su resistencia máxima, por lo que: (R2 + 27kΩ) ∗ (0,068μF ) = 25X 10 R2 = 340k Ω
3
−
seg
El potenciómetro estándar más cercano es de 250kΩ. la experiencia ha demostrado que la segunda constante de tiempo (R3 )C 2 debe caer en algún lugar cerca de la parte inferior del rango sugerido. Supóngase 5mseg. Por tanto (R3)(0,033μF ) = 5X 10 3 R3 = 151,5kΩ −
El valor estándar para R3 será el de 150kΩ. b) Se puede hacer R1 o R3 o ambasa más pequeñas, de tal forma que se puedan permitir ángulos de retardo de disparo más pequeños, debido a que los capacitores se cargarán con mayor rapidez usando resistores más pequeños (lo cual implica directamente disminuir las constantes de tiempo). Probablemente se empezaría R3 . 10
TAREA 2 INVESTIGUE LAS CARACTERISTICAS Y GRAFICAS DEL COMPORTAMIENTO DINÁMI-
CO DE LA CLASIFICACION DE LOS TIRISTORES, EXCEPTO EL SCR Y EL TRIAC, ASI COMO TAMBIEN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL UJT. 1.- Repita el ejercio 3, pero ahora tome en cuenta que la caída de voltaje en la carga es de 2 Volts y en las términales ánodo-cátodo es la de un elemento tipo pn. 2.- En cuanto a la figura (10), supóngase que la fuente de alimentación es de 115 V rms, I GT = 15mA y R1 = 3 k Ω.Se desea que el retardo ocurra a 80 . ¿A qué valor debe ajustarse R2 ? Ignore la caída de tensión en la carga, pero considere que las pérdidas en las términales ánodo-cátodo es la de un elemento tipo pn. ◦
3.- Si el en el ejercicio anterior R2 es de 2,5k Ω en la el ejercicio anterior, ¿cuál es el ángulo de retardo de disparo?¿cuál es el ángulo de conducción? 4.- Para el circuito de la figura (11), C = 0,47 μF. Encuentre los valores adecuados de R1 y R2 para un amplio rango de ajuste del ángulo de retardo de disparo. 5.- Para la figura (11), si R1 = 4,7kΩ y R2 = 100kΩ, escoja un tamaño aproximado de C que permita que el ángulo de retardo de disparo sea ajustado muy tarde.
11
