"UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE"
FICA-CIME
"Práctica N° 2: CIRCUITO DE DISPARO PARA UN SCR"
ELABORADO POR:
' GISSELA TOAPANTA
' JOHNNY REVELO
' DAYANA TERÁN
' EDGAR ENRIQUEZ
ASIGNATURA: ELECTrÓNICA DE POTENCIA
PROFESOR: Ing. HENRY CERVANTES
ANTECEDENTES:
Hoy en día, el uso de circuitos de electrónica de potencia abarca un mercado muy amplio, sus usos van desde control a conmutación y conversión de energía, se encuentran en dispositivos como variadores de velocidad, fuentes de alimentación ininterrumpida, fuentes de alimentación conmutadas, entre muchos otros.
Dado al amplio campo en el que se desenvuelve esta rama de la ingeniería eléctrica es de esperarse del estudiante un conocimiento en lo que concierne tanto a la teoría como a la puesta en práctica de circuitos de este tipo de circuitos, es por tanto que se desea realizar esta práctica de laboratorio con el propósito de guiarnos a través de las etapas básicas de una aplicación bastante común como lo es un rectificador monofásico controlado por medio de SCR (Rectificador Controlado de Silicio).
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL:
Comprobar la operación de un tiristor como elemento de control de fase y comprobar las caracteristicas V-I de un SCR.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Identificar los parámetros fundamentales del elemento de potencia SCR, en las hojas de especificaciones del fabricante.
Llevar a cabo la prueba del dispositivo mencionado.
Comprobar la operación de los tiristores en corriente directa y alterna.
Implementar y experimentar aplicaciones.
MARCO TEÓRICO:
El RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)
El SCR es un semiconductor que forma parte de la familia de los tiristores, los cuales son dispositivos de 4 capas n y p alternantes cuyo símbolo esquemático es el mostrado en la figura siguiente:
Donde:
A corresponde al ÁNODO, la K al CÁTODO y la G a la compuerta o GATE. A grandes rasgos el principio básico de funcionamiento es el siguiente; el dispositivo tiene dos estados, encendido y apagado.
Durante el primero no permite la conducción de corriente en ninguna dirección (en realidad existe una pequeña corriente de fuga), para encenderlo se necesitan dos condiciones, primero voltaje del ánodo positivo respecto al cátodo (si este valor se aumenta a valores superiores al de ruptura se encenderá sin embargo este método es poco práctico y dañino) y segundo una corriente positiva en la base, cumplido esto se genera una realimentación positiva en la estructura interna del componente que logra encenderlo completamente. Una vez en estado encendido solo se logra apagarle interrumpiendo el flujo de corriente de ánodo a cátodo.
Entre los parámetros más importantes que debemos tener en cuenta para este dispositivo tenemos:
Corriente de retención (IL): Es la corriente mínima (ánodo-cátodo) que debe haber justo después de retirar la señal de corriente en la compuerta.
Corriente de mantenimiento (IH): La corriente mínima (ánodo-cátodo) que debe haber para mantener el SCR encendido luego de estar completamente encendido.
Voltaje pico reverso (VRSM): El máximo voltaje reverse que puede soportar el
SCR.
Corriente máxima de disparo en compuerta (IGTM): La máxima corriente DC de disparo que soporta el SCR en la compuerta para encenderlo.
Corriente mínima de disparo en compuerta (IGT): La corriente DC mínima requerida para encender el SCR.
Voltaje mínimo de disparo en compuerta (VGT): El voltaje mínimo de compuerta a cátodo requerido para encender el SCR.
La interpretación directa de la curva del tiristor nos dice lo siguiente: Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero, la intensidad de ánodo también lo es, hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBo), el tiristor no se dispara, cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente
Si se quiere dispara el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo, será necesario aumentar la corriente de compuerta, la tensión de cebado ocurre cuando se polariza inversamente, se produce una débil corriente inversa (corriente de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del componente.
MATERIALES:
1 SCR C-106B o TIC 106D
1 Resistencia de 3.3 K - ½ W (R1)
1 Resistencia Variable
1 Diodo rectificador 1N4007 o equivalente
1 Lámpara 100w 110 VCA
1 Fusible de 2 Amperios con porta fusible
Cable eléctrico (cal. 14) con enchufe.
INSTRUMENTOS:
Fuente de alimentación de 110 Vac
Osciloscopio
Multímetro
DIAGRAMA DE BLOQUES:
DESARROLLO:
REPRESENTAR LA CURVA CARACTERISTICA DE V-I del SCR C-106B.
HOJA DE ESPECIFICACIONES
Calcular el valor de R2 para el circuito básico de disparo mostrado en la siguiente figura:
Datos:
R1 = 3.3 KΩ
Vmax = 110 VAC
IGT = 200
Por ley de Ohm:
Vmax = IGT*Rab
Despejando Rab:
Sustituyendo valores para obtener Rab
Rab = R1 + R2,
Despejamos R2:
Rab=110v200*10-6 Rab=550kΩ
Rab=R1+R2 R2=Rab - R1 R2=(55OkΩ - 3.3kΩ)= 546,7KΩ
Debemos utilizar un potenciómetro o resistencia variable de 1MΩ
Con el osciloscopio determinar el ángulo máximo y mínimo de retardo en el disparo para el SCR.
tmax = 0.60ms
tmin = 0.32ms
Graficar las formas de onda en el tiristor y en la carga para cada uno de los ángulos de retardo en el disparo.
EXPERIMENTO 2
MATERIAL:
1 Transformador de 110VCA a 12VCA
1 Resistencias de 220 , 560 , 1.1K , 5.1K .
1 potenciómetro de 10K , 500K
1 Diodos LED.
1 SCR C106B o TIC106 .
2 Swich
Construya el circuito
Cierre el interruptor S1 y deje abierto el interruptor S2, y observe con el osciloscopio la señal entre los puntos A y C, dibuje la forma de esta señal.
Cierre el interruptor S2, a partir de cero varié poco a poco el potenciómetro R2, y observe con el osciloscopio en los puntos B y C el efecto que existe en la señal.
Anote los ángulos de conducción, mida IG, IK para tres diferentes ángulos y comente sus observaciones.
CUESTIONARIO
7.1.1 Describa por lo menos 10 componentes de potencia adicionales a los vistos en los experimentos.
Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).
Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
Tiristores de tríodo bidireccional(TRIAC).
Tiristores de conducción inversa(RTC).
Tiristores de inducción estática(SITH).
Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR).
Tiristores controlados por FET (FET-CTH).
Tiristores controlados por MOS(MCT).
DIACs
7.1.2 Explique las características de un circuito electrónico para ser considerado componente de potencia.
Cuando una corriente eléctrica fluye en estos circuitos, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.
7.1.3 Investigue el término "Sistemas de Control Electrónico de Potencia"
En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia.
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
7.1.4 Explique la diferencia entre un circuito electrónico de alta potencia y un circuito electrónico de baja potencia.
Un circuito es de alta potencia cuando la corriente suministrada es de un alto valor.
Un circuito es de baja potencia cuando la corriente suministrada es de menor valor
7.1. 5 Describa las principales características entre un DIAC, TRIAC y SCR.
Un SCR (rectificador controlado de silicio, silicon controlled rectifier) es un dispositivo pnpn de 4 capas similar al diodo de 4 capas pero con tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. La estructura básica de un SCR se muestra los encapsulados de SCR típicos. Otros tipos de tiristores se encuentran en los mismos o en encapsulados similares resultado de esta acción es una forma de onda de voltaje a través de C como la mostrada en la figura.
7.1.6 Describa en que otras aplicaciones electrónicas se utilizan los SCR.
7.1.7 Explique cómo afecta la temperatura a los elementos electrónicos de potencia.
El buen funcionamiento de los equipos eléctricos y electrónicos se ven afectados temporalmente por algún problema climatológico que se puede resolver rápidamente y a un bajo coste. En los cambios de temperatura se forma condensación en armarios de distribución cerrados.
La condensación en combinación con polvo, heladas y gases en el interior del armario eléctrico o electrónico, son causas que producen corrosión, corriente de fuga y el salto del arco. Una temperatura interior demasiado alta puede inducir igualmente a una caída total del equipo.
La solución:
Dependiendo de un cálculo, donde podremos calcular la potencia necesaria para mantener la envolvente (armario) a una temperatura constante y controlar la humedad en el interior de la misma, o los m3/h necesarios para airear o ventilar el equipo, podremos estar seguros de escoger la potencia necesaria de una resistencia convencional o de una resistencia calefactora en caso de baja temperatura y/o humedad o bien un ventilador a filtro en caso de alta temperatura; dependiendo del resultado del cálculo, para que el equipo trabaje a unas condiciones adecuadas.
7.1.8 Dibuje un diagrama de bloques de una fuente de CD a CA y explique el funcionamiento en cada etapa.
Para poder llevar a cabo la conversión de DC a AC es necesario contar con los siguientes bloques que nos ayuden a conjuntar la red eléctrica doméstica.
DIAGRAMA A BLOQUES DE UN INVERSOR.
Fuente de DC.
La fuente de DC se conforma principalmente con un banco de baterías, el cual requiere la rectificación de la corriente alterna para poder recargarse en el momento en que su voltaje de salida se encuentre bajo. Esto se realiza por medio de un cargador de baterías el cual entra al momento de que el sistema se encienda. El banco de baterías se conforma por baterías conectadas en serie hasta alcanzar el voltaje deseado, teniendo en cuenta que estas pilas deben tener el mismo rendimiento, es decir el mismo valor en voltaje y en amperes/hora. Dependiendo del tipo y del tamaño de la carga, es posible determinar el tipo de baterías a utilizar.
Bloque de potencia.
En el bloque de potencia el sistema debe ser capaz de generar una onda alterna a partir de un voltaje continuo suministrado por la fuente de DC. Esto lo podemos lograr gracias a la implementación de cuatro transistores con su respectiva protección con diodos conectados en paralelo con cada transistor.
Para este bloque es necesario contar con dispositivos de rápida conmutación que nos permitan generar una señal de corriente alterna a partir de una de corriente directa con las menores pérdidas posibles, los inversores de potencia son los que se recomiendan para esta aplicación, los cuales cuentan con una fuente de alimentación de corriente directa y a su vez estarán controlados por medio de un sistema de control que permitirá la conmutación de los mismos para logar la conversión de directa a alterna.
Este circuito conmuta por parejas, Q1 y Q4 permiten generar el semiciclo positivo de la señal alterna de salida mientras que Q2 y Q3 activarán el semiciclo negativo de la señal alterna de salida.
Para una correcta operación será necesario que el bloque de control genere dos señales desfasadas 180º entre sí, señal 1 y señal 2 en la figura 5.3, las cuales harán conmutar los transistores de potencia a la velocidad requerida.
En el caso de cargas con componente inductiva es posible que se presenten problemas de conmutación de los transistores debido a la corriente reactiva que fluye por ellas. Además, si la inductancia es muy elevada, se presentarán transitorios que pueden deteriorar el funcionamiento de los semiconductores de potencia.
Para minimizar estos inconvenientes se opta por conectar diodos en antiparalelo con los transistores, D1 a D4 en la figura 5.2, los cuales redireccionan la corriente reactiva hacia la batería, Q4 o fuente CC, permitiendo mantener una corriente constante sobre ella, y previniendo a la vez el calentamiento de los transistores.
Control
Es el encargado de generar las dos señales que gobiernan la activación y desactivación de los transistores de potencia, función que puede ser cumplida por un circuito oscilador de onda cuadrada.
Buscando proporcionar voltajes de salida que disminuyan el contenido armónico, se han desarrollado diferentes estrategias de conmutación en inversores monofásicos: modulación uniforme de ancho de pulso (UPWM), modulación trapezoidal, modulación senoidal de ancho de pulso (SPWM). Sin embargo, la técnica más utilizada es SPWM.
Transformador
Finalmente, el transformador de salida permite regenerar la señal para la carga, es decir mandar una señal senoidal con mínimo de armónicos y mantener el voltaje lo más posible estable para evitar variaciones a la salida y posibles daños a las cargas conectadas.
También nos sirve para proteger el sistema, puesto que en caso de corto circuito en la carga, éste no repercute ya que se encuentra aislada.
7.1.9. Comente la importancia de la electrónica de potencia en la ingeniería
Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión sistemas eléctricos de potencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran:
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
Triac
IGBT
IGCT
MCT
Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua
Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.
CONCLUCIONES:
Para obtener una buena gráfica de nuestro circuito, calibramos bien nuestro osciloscopio.
Utilizamos los materiales exactamentes indicados en las instrucciones de la practica y obtuvimos buenos resultados, ya que son estos circuitos muy sencibles y requieren exactitud.
Si no utilizamos fusible en estas practicas de corriente alterna ubieramos tenido grandes destrucciones de elementos, ya que podemos cometer errores en el transcurso de la practica.
Aprendimos el funcionamiento del SCR y sus ondas de salida.
El circuito de disparo por cruce de coseno permite linealizar la relación del voltaje promedio de salida e un semiconvertidor accionado por este circuito y una señal de control de voltaje.
La función de transferencia del voltaje de directa con respecto al voltaje de control tiene un factor de correlación más cercano a la unidad que el circuito de disparo lineal, por lo que es más recomendable su uso cuando se usarán sus señales para proporcionar los pulsos de disparo de un convertidor semicontrolado.
RECOMENDACIONES:
Comprobar el buen funcionamiento de los materiales que se van a usar en la practica.
Tomar las debidas precauciones el momento de conectar los circuitos a la red electrica.
Consultar las hojas de especificaciones de los diferentes elementos para su buen conectado en el circuito.
BIBLIOGRAFIA:
Savant, J.C. Diseño Electrónico. Adisson Wesley 2ª. Edición México 1992.
DEGEM Systems. "Curso EB-112: Electrónica Industrial. Inter Training Systems-1998.
Boylestad, Robert. "Electrónica: Teoría de Circuitos. Prentice –Hall. 2ª. Edición México 1997.
ANEXOS:
