Capítulo 3
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CAPÍTULO 3 UJT ESTRUCTURA DEL UJT El transistor uniunión o UJT (figura 3.1) es un elemento compuesto por dos bases, B1 y B, entre las !ue "a situada una resistencia de silicio tipo n. Esta resistencia se denomina de interbase (# BB)$ a %&', su "al "alor or esta esta comp compre rend ndid ido o ent entre re .* .* y +.1* . En un punto determinado de la resistencia #BB "a colocado un diodo pn cuyo nodo act-a de emisor.
igura 3.1. Es!uema el/ctrico e!ui"alente 3.1 TEORÍA Y FUNCIONAMIENTO 'uando el "olta0e entre emisor y base 1, eb1, es menor !ue un "alor denominado "olta0e de pico, p, el UJT esta 'T2&, y no puede fluir corriente de E a B1(4e56). 'uando eb1 sobrepasa a p en una pe!ue7a cantidad, el UJT se dispara ó '&8U'E. 'uando esto sucede, el circuito E a B1 es un 'T&'4#'U4T&, y la corriente fluye instantneamente instantneamente de un terminal a otro. En la mayor9a de los circuitos con UJT, el pulso de corriente de E a B1 es de corta duración, y el UJT rpidamente regresa al estado de 'TE.
igura 3.. Un UJT conectado en un circuito simple. El "olta0e pico de un UJT se determina por: p5 nBB1 ; 6.< (1) donde n se denomina por relación intr9nseca entre contactos y los 6.< corresponden a la ca9da de "olta0e en sentido directo de la unión pn de silicio !ue e=iste entre emisor y base 1. E0emplo: >i el UJT de la figura tiene una relación entre contactos n56.%% y un "olta0e e=terno BB1 de 6, ?'ul es el "olta0e de pico@ p56.%%(6) ; 6.<511.< En este caso, eb1 deber ser mayor !ue 11.< para poder disipar el UJT. 8ue"amente con el circuito de la figura 3., el condensador 'e comenAar a cargarse a tra"/s de #e en el instante mismo !ue se cierre el interruptor. 'omo el condensador est conectado entre E y B1, cuando el "olta0e alcance 11.< el UJT se disparar. Esto permitir !ue la carga almacenada en las placas de 'e se descargue rpidamente a tra"/s del UJT. En la mayor9a de las aplicaciones con UJT, este pulso de corriente de E a B1 representa la salida del circuito. Este pulso de corriente puede ser utiliAado para disparar un tiristor, o para poner en conducción un transistor, o simplemente para producir un "olta0e entre base1 y tierra. El "olta0e total aplicado BB1, est di"idido entre las dos resistencias internas #B y #B1. a porción de "olta0e !ue aparece a tra"/s de #B1 es: #b15(#B1C#B1;#B)Dbb1
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Esta fórmula corresponde a un divisor de voltaje en serie. Para disparar el UJT, el voltaje de E a B1 debe ser lo suficiente para polarizar el diodo de la figura .1 ! entregar una pe"ue#a corriente al terminal de emisor. El voltaje $eb1 necesario para realizar esto, es % $eb1& $d ' ()b1*)b1')b+$b+b1
(
-omparando esta ecuación con (1 obtenemos% n& ()B1*)B1')B+ & )B1*)BB
(
En la figura ., cuando el $eb1 alcanza el $ p ! comienza a fluir una pe"ue#a corriente, el UJT /cae bruscamente0 a un pe"ue#o voltaje entre emisor ! base1. Este pe"ue#o voltaje se denomina voltaje de valle $v, para el cual )B1 cae casi a cero oms en un tiempo pe"ue#o )B+ por el contrario permanece fijo, cuando )B1 cae casi a cero oms permite "ue un condensador e2terno vac3e su carga a trav4s del dispositivo. El condensador se descarga r5pidamente asta el punto en "ue !a no puede entregar el m3nimo de corriente re"uerida para mantener al UJT en conducción. Esta corriente m3nima se denomina corriente de valle (6v, cuando la corriente de emisor a base1 cae por debajo de la corriente de valle, el UJT regresa al estado de corte.
3.2
OSCILADORES DE RELAJACIÓN CON UJT
El oscilador de relajación es el corazón de la ma!or3a de los circuitos temporizadores ! osciladores "ue utilizan en UJT. Es esencialmente el mismo circuito "ue se muestra en la figura .+ e2cepto "ue se adicionan resistencias en las terminales B+ ! B1 para as3 obtener se#ales de salida estas resistencias son pe"ue#as comparadas con la resistencia interna del UJT, )BB.
7igura . -urva caracter3stica v-i del UJT. El oscilador funciona como !a se ab3a e2plicado antes, -uando se aplica la fuente, -e se carga a trav4s de )e asta "ue su voltaje alcance el valor $p. En este momento, el UJT se dispara, siempre ! cuando )e no sea demasiado grande. 8a limitación en )e es necesaria por"ue se debe entregar una cierta corriente m3nima da la fuente al emisor, para "ue el UJT se dispare una vez se alcance $p. 9ado "ue esta corriente debe llegar al emisor a trav4s de )e, el valor de )e debe ser lo suficientemente pe"ue#o para permitir el paso de la corriente m3nima necesaria. Esta corriente m3nima se denomina 6p(corriente de pico, ! es del orden de unos microamperios para la ma!or3a de los UJT.
7igura ..a 9iagrama de un oscilador de relajación. 8a ecuación "ue da el m52imo valor permitido de )e se obtiene aplicando la le! de :m al circuito emisor. )em52&($s;$p*6p
(<
$s&$oltaje de la fuente dc. $s;$p&$oltaje disponible a trav4s de )e en el instante del disparo. -uando el UJT se dispara, la resistencia )B1 cae a un valor cercano a cero, permitiendo "ue circule un pulso de corriente desde la placa superior de -e acia )1. Esto ace "ue aparezca un pulso de voltaje en el terminal B1 como se muestra en la figura .(b. =imult5neamente con la aparición del pulso positivo en B1, aparece una ca3da negativa en B+. Esto sucede por"ue
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la caída de Rb1 produce una reducción de la resistencia total entre Vs y tierra, y en consecuencia un aumento de la corriente a través de R2 creando un pico de caída negativo en el terminal B2, como se muestra en la figura 3.!c".
#igura 3.. !b" #orma de onda del V de base1 a tierra !Vb1". !c" #orma de onda del V de base2 a tierra!Vb2". $n el terminal de emisor, se produce una onda de diente de sierra. $l diente de sierra no es lineal en su rampa de subida, dado %ue el condensador no se carga e n un instante. $n un oscilador de rela&ación Re no debe ser muy grande, de lo contrario el '() estar* in+abilitado para el disparo igualmente +ay un límite %ue indica %ue tan pe%uea puede ser Re para garanti-ar %ue el '() regrese a su estado de corte, después de dispararse. a ecuación es/ Remin0 !VsVv"v
!4"
VsVv0$s el volta&e apro5imado a través d e Re después del disparo. a frecuencia de oscilación de un oscilador de rela&ación del tipo mostrado en la figura 3.!a" viene dado por/ #01)01Re6e
!7"
$sta ecuación es muy apro5imada siempre y cuando el '() tenga una n del orden de 8.43. 9i n08.43, 6e debe cargarse casi a un 43: de Vs para poder disparar el '(). ;ara esto se re%uiere un tiempo de carga igual a una constante de tiempo, o sea/ )carga0Re6e
!<"
a relación entre contactos de un '() es bastante estable a cambios de temperatura, varia menos de un 18: en un rango de temperatura de operación de =8>6 a ?12=>6 en un '() de buena calidad.
3.3 DISPARO DEL SCR MEDIANTE UN UJT $l método de disparo del 96R consiste en la inyección de un pulso de corriente en su terminal de puerta, %ue activa al 96R y lo pone en conducción. $l oscilador de rela&ación con '() es, de +ec+o, un generador de pulsos !de volta&e"@ de manera %ue viene a ser un circuito de disparo ideal para el 96R. Adem*s, es posible determinar con toda precisión la frecuencia con %ue se producen los pulsos de disparo en el oscilador de rela&ación !frecuencia de oscilación"@ mediante la variación de la constante de tiempo R6. Al aplicar estos pulsos de disparo a la compuerta de un 96R, se implica %ue es posible retardar el disparo del tiristor mediante el retardo en el disparo del '(), dentro de los límites de la frecuencia de oscilación, impuestos por la constante de tiempo R6. A su ve-, esto supone %ue es posible obtener un control de fase sobre el volta&e en la carga, en el circuito de potencia. 9in embargo, todo esto ser* v*lido sólo si los circuitos de control y de potencia est*n sincroni-ados. 9i el circuito de disparo, el oscilador de rela&ación, se alimenta con una batería independiente del circuito de potencia, no se puede garanti-ar la sincroni-ación entre el pulso de disparo del '() y la polaridad del volta&e alterno a través del 96R. $s decir, los pulsos producidos por el '() tienen la misma probabilidad de ocurrencia tanto en el semiciclo positivo como en el semiciclo negativo, del volta&e alterno presente en el 96R. ;uede suceder %ue los pulsos de disparo se produ-can en puntos diferentes para semiciclos diferentes del volta&e alterno en el 96R, resultando en *ngulos de disparo diferentes en cada semiciclo positivo. os pulsos %ue se produ-can en semiciclos negativos del volta&e en el 96R no tendr*n ningn efecto sobre él. 9i estos pulsos se producen muy al principio o al final de semiciclos negativos, el 96R no se dispara en los semiciclos positivos anterior o siguiente, respectivamente. $sto provocaría CsaltosC de semiciclos positivos en el volta&e resultante en la carga. os problemas mencionados se evitan si los circuitos de control y de potencia est*n sincroni-ados. 'na manera de lograr esta sincroni-ación consiste en alimentar el oscilador a partir de la misma fuente de volta&e alterno %ue alimenta al circuito de carga. De esta forma se garanti-a %ue cada ve- %ue el '() entregue un pulso, la polaridad del 96R ser* la correcta y +ar* %ue éste pase al estado de conducción. Adem*s, también se asegura %ue los *ngulos de disparo sean uniformes para todos los semiciclos positivos. A continuación presentamos un circuito %ue muestra una forma de sincroni-ar los circuitos de control y de carga.
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Figura 3.5 Circuito para sincronización. La figura 3.5 que muestra un oscilador de relajación con UJT, empleado como circuito de disparo para un C!. "l circuito de disparo est# sincronizado con la l$nea, %, al mismo tiempo, est# aislado del circuito de potencia. &nalicemos la operación de este circuito. "n primer lugar, nótese que la alimentación para el circuito de disparo pro'iene de la misma fuente de 'oltaje alterno ("ac) que alimenta al circuito de potencia (la carga % el C!), a tra'*s de un transformador de aislamiento, T+. "ste transformador, al mismo tiempo que proporciona la sincronización entre amos circuitos, tami*n a$sla al circuito de control del de potencia. "n la figura 3.5 se indica que el transformador entrega en su arrollamiento secundario una quinta parte del 'oltaje de l$nea, "ac. "sta fracción del 'oltaje de l$nea es un ni'el m#s adecuado para la alimentación del oscilador, que opera con 'oltajes de entre +- % 35 cd. "l secundario del transformador est# conectado a un puente rectificador, que entrega al punto & un 'oltaje rectificado de onda completa, de la forma que muestra la figura 3./. 0#s adelante, el diodo 1ener enganc2a este 'oltaje rectificado a un ni'el fijo, limitando % regulando los picos de tensión. e manera que el punto 4 se genera un 'oltaje directo de onda casi cuadrada, como se muestra e n la figura 3./.
Figura 3./. Formas de onda del circ uito de la figura 3.5
La parte del circuito 2asta a2ora descrita (el transformador de aislamiento, el puente rectificador % el diodo 1ener) constitu%e la fuente de alimentación de corriente directa que requiere el oscilador de relajación para su operación. "l capacitor de emisor, C", se carga a tra'*s de !" 2asta que la tensión de emisor alcanza el 'oltaje de pico del UJT, ."n ese momento, el UJT se dispara % el capacitor se descarga sore !+, produci*ndose en el punto C de la figura + un pulso de disparo que se in%ecta a la compuerta del C!, ce#ndose *ste % conduciendo corriente 2acia la carga durante el resto del semiciclo positi'o. "l tiempo de carga % descarga del capacitor, est# determinado por la constante de tiempo T !"C", que tami*n determina en qu* instante se produce el pulso de disparo, a la descarga del capacitor.
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La resistencia RE variable permite controlar a voluntad el período de carga y descarga del capacitor, lo que hace posible retardar el disparo del UJT y, por consiguiente, del SCR, entre los límites de la recuencia de oscilaci!n del circuito" Este hecho de poder retarda el disparo del SCR a trav#s del retardo en el disparo del UJT, es lo que hace posible tener un control de ase sobre el volta$e en la carga" Si la resistencia es peque%a, el UJT y el SCR se disparar&n tarde en el semiciclo, y la carga recibir& una corriente peque%a"
3.4 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO Las condiciones para el dise%o del circuito de disparo con UJT, no son muy rigurosas" 'eneralmente se limita R( a un valor de ()) ! menos" El valor de R( debe ser lo suicientemente peque%o para impedir que la corriente que luye a trav#s de esta resistencia, a*n despu#s de disparado el UJT, pueda generar un pulsos que cebe inadvertidamente al SCR" +ero, a la ve, R( debe ser lo suicientemente grande para que el pulso generado alcance para cebar con seguridad al SCR" El valor de la resistencia de emisor, RE debe estar dentro del rango comprendido entre - . y -/ " El límite inerior lo determina el hecho de que la recta de carga de RE debe cortar la curva característica del UJT al iquierda del punto valle, de manera que el UJT regrese al estado de corte cuando el volta$e de emisor caiga por deba$o del volta$e de valle" El límite superior de RE est& determinado de orma que la corriente m&0ima de emisor sea superior a la corriente de pico, de manera que el UJT pueda d ispararse y entrar en conducci!n" El volta$e de alimentaci!n del oscilador, provisto por el diodo 1ener en nuestro circuito debe situarse entre () y -2 3olts" 'eneralmente se escoge un 1ener de 4)3" para ser utiliado con una uente 5c de (4) 3rms, como es nuestro caso" El dise%o del circuito de disparo se acilita mediante el uso de curvas de dise%o, como las que para el UJT 464787 proporciona el manual del SCR, de 'eneral Electric" 3olta$e de 9nterbase /&0imo 3:: ;-23" Ra!n 9ntrínseca de 5pagado, n;)"272 . ") . ms +or lo tanto, la m&0ima recuencia de oscilaci!n del circuito debe tener un período de la mitad del c&lculo" Esto es Tm&0;TD4;<(7"7>ms=D4 Tm&0;@"--ms 5 este valor debe tender la m&0ima constante de tiempo RECE" La siguiente igura muestra las ormas de onda que esperamos obtener en el capacitor de emisor de los pulsos de disparo en R( del volta$e a trav#s del SCR y del volta$e en la carga para un &ngulo de disparo de 7)A, de la igura -"2"
Figura -">" Formas de onda resultantes en el circuito
3.5 LOS UJT COMO MÉTODO DE DISPARO PARA LOS TRIACS En el control de potencia industrial hay veces que el punto de cebado se selecciona por medio de una se%al de volta$e de alimentaci!n" Una se%al del volta$e de alimentaci!n es un volta$e el cual de alguna manera representa la condici!n actual de la
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carga. Por ejemplo en el caso de una carga luminosa, un voltaje proporcional a la intensidad luminosa podría utilizarse como señal de realimentación para controlar automáticamente el ángulo de disparo del TRIAC por consiguiente la intensidad de la luz producida. Cuando se tiene un motor como carga, un voltaje proporcional a la intensidad del eje podría utilizarse como señal de realimentación para controlar automáticamente el disparo del TRI AC por consiguiente la velocidad del motor. Circuito de disparo con UJT y realimentación por resistencia. !l trans"ormador T# es el trans"ormador d e aislamiento. $n trans"ormador de aislamiento tiene una relación de vueltas de #%# su propósito es aislar el&ctricamente al primario del secundario .!n este caso el trans"ormador está aislando el circuito de potencia ac del circuito de disparo .'uc(os trans"ormadores de aislamiento incluen componentes para supresión de transitorios. Cuando incluen dic(os componentes las señales de alta "recuencia )ue aparecen en el primario no son transmitidas al devanado secundario, de este modo audan a mantener el circuito del secundario li*re de ruido . +a onda senoidal de ## - ac proveniente del secundario de T# se aplica a un puente recti"icador% +a salida del puente recti"icador de onda completa se aplica a una com*inación resistenciadiodo zener la cual entrega entonces una "orma de onda de /0- sincronizada con la línea ac. Cuando se esta*iliza la "uente de /0 - el capacitor # comienza a cargarse, cuando se (a cargado al -p del $1T el $1T se dispara crea un pulso en el devanado primario del trans"ormador T/ . !se pulso se transmite al devanado secundario se entrega a la puerta del TRIAC , pasándolo a conducción por el resto del semiciclo. !n estas "ormas de onda el ángulo de disparo es de #23 +a velocidad a la cual se carga C# está dada por la relación de R" a R# 4R" R# "orma un divisor de voltaje. !ntre ella se dividen los /0 v de la "uente dc )ue alimenta al circuito de disparo, si R" es pe)ueña comparada con R#, entonces R# reci*e una gran parte de los /0 - de la "uente. !sto (ará )ue el transistor 5# , pnp, conduzca *astante, dado )ue el voltaje de R# está aplicado a su circuito de emisor a *ase ,con 5# conduciendo *astante C# se carga rápidamente. 6ajo estas condiciones el $1T se dispara tempranamente en el semiciclo, el promedio de la corriente es alto. +a "igura siguiente muestra el circuito e7plicado anteriormente.
8igura 2.9. :isparo con $1T.
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