Informe Previo 01 e.industrial

UNI-FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA INFORME FINAL EXPERIENCIA Nº02 CARACTERIZACION DE DISPOSITIVOS USADOS EN LOS CIRCUITOS DE DISPARO: UJT, PUT, ACOPLADORES OPTICOS Y MAGNETICOS.

CURSO

:

LABORATORIO DE ELECTRONICA INDUSTRIAL

CODIGO

:

EE435-M

PROFESOR

:

LAZO OCHOA, Domingo

ALUMNO

:

APELLIDOS Y NOMBRES Porras Mendizábal Jorge

CICLO

:

CODIGO 20042521C

2012 – II

LIMA – PERÚ 2012 1


2012

ANALISIS Y EXPERIMENTACION DE CIRCUITOS DE DISPARO CON SCR

1. OBJETIVOS La ejecución de la experiencia permitirá al estudiante consolidar de forma práctica los conocimientos teóricos de cursos previos acerca de estos dispositivos conocidos. Comprender el funcionamiento en base a experimentación de circuitos de control de disparo básicos y su activación sobre un SCR. Analizar el funcionamiento de los circuitos electrónicos de potencia del presente laboratorio. En base a nuestro análisis, diseñar el circuito indicando las especificaciones de los componentes que se muestran en la guía. Simular el circuito diseñado para obtener los resultados teóricos esperados y compararlos con los resultados experimentales que se obtendrán en la presente sesión. Implementar cada uno de los circuitos básicos mostrados y obtener las mediciones observando un correcto funcionamiento en base al correcto análisis funcional y diseño anterior. .

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

DISPOSITIVOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA INTRODUCCIÓN En esta ocasión se presentara varios dispositivos importantes, el diodo semiconductor de dos capas encabeza los dispositivos de tres, cuatro e incluso cinco capas. Se considerara una familia de dispositivos pnpn de cuatro capas: el SCR (rectificador controlado de silicio, SiliconControlled Rectificer), el TRIAC, seguidos por un dispositivo cada vez más importante: el UJT (transistor monounión, Unijunction Transistor). Estos dispositivos de cuatro patas junto con un dispositivo de control, por lo general se le denomina tiristores, aunque este término se aplica de forma más frecuente al SCR. Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad: 

Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún ningún terminal de control externo.



Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Tiristores,

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2012 Alternating Current”). En éste é ste caso su puesta en conducción (paso ( paso de OFF a ON) se

debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo. 

Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales. El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: 

Tener dos estados claramente definidos, definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).



Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad facilidad y pequeña potencia.



Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.



Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

Semiconductores de alta potencia

Dispositivo

Intensidad máxima

Rectificadores estándar o rápidos Transistores de potencia

50 a 4800 Amperios 5 a 400 Amperios

Tiristores estándar o rápidos

40 a 2300 Amperios

GTO

300 a 3000 Amperios

Aplicaciones: 

 

   

Tracción eléctrica: troceadores y convertidores. Industria: Control de motores asíncronos. Inversores. Caldeo inductivo. Rectificadores. Etc.

3


2012 Módulos de potencia

Dispositivo

Intensidad máxima

Módulos de transistores

5 a 600 A. 1600 V.

SCR / módulos rectificadores

20 a 300 A. 2400 V.

Módulos GTO

100 a 200 A. 1200 V.

IGBT

50 a 300A. 1400V.

Aplicaciones:    

Soldadura al arco. Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). Control de motores. Tracción eléctrica.

Semiconductores de baja potencia

Dispositivo SCR Triac Mosfet

Intensidad máxima 0'8 a 40 A. 1200 V. 0'8 a 40 A. 800 V 2 a 40 A. 900 V.

Aplicaciones:      

Control de motores. aplicaciones domésticas. Cargadores de baterías. Control de iluminación. Control numérico. Ordenadores, etc.

Seguidamente se detallara las características más importantes de algunos de estos dispositivos que ya hemos mencionado.

TIRISTORES El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una puerta”. El

tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables). La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica

para cada tiristor. Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales). Los tiristores son dispositivos semiconductores de cuatro capas que se utilizan como interruptores en circuitos de potencia.

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2012

SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO) De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia

de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR. El SCR es uno de los dispositivos dis positivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente). El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo. La figura siguiente ilustra una estructura simplificada del dispositivo.

Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK VAK aumente hasta hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2. Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores negativos yendo del cátodo hacia hacia la puerta. Por la propia construcción, construcción, la capa P donde donde se conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo. De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la corriente de puerta. Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas, en cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la unión J3 está entre dos regiones altamente dopadas, no es capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que

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2012 cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo del componente.

Existe una analogía entre el funcionamiento del tiristor y el de una asociación de dos transistores bipolares, conforme se muestra seguidamente:

Cuando se aplica una corriente de puerta puerta IG positiva, Ic2 e IK aumentarán. Como Ic2 = Ib1, T1 conducirá y tendremos Ib2 = Ic1+ IG, que aumentará Ic2 y así el dispositivo evolucionará hasta la saturación, aunque se elimine elimine la corriente de puerta IG. Tal efecto acumulativo ocurre si las ganancias de los transistores son mayores que 1. El componente se mantendrá en conducción desde que, después del proceso dinámico de entrada en conducción, la corriente del ánodo haya alcanzado un valor superior al límite IL, llamada corriente de enclavamiento “latching current”.

Para que el SCR deje de conducir es necesario que su corriente caiga por debajo del valor mínimo de mantenimiento (IH), permitiendo que se restablezca la barrera de potencial en J2. Para la conmutación del dispositivo no basta con aplicar una tensión negativa entre ánodo y cátodo. Dicha tensión inversa acelera el proceso de desconexión por dislocar en los sentidos adecuados los portadores en la estructura cristalina, pero ella sola no garantiza la desconexión. Debido a las características constructivas del dispositivo, la aplicación de una polarización inversa del terminal de puerta no permite la conmutación del SCR. En la figura siguiente podemos ver la característica estática de un SCR. En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Asi, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión VAK. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON) aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. La caída de tensión directa en el estado de conducción (ON) es de pocos voltios (1-3 V). Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON),

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2012 aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.

En régimen estático, dependiendo de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo podemos distinguir tres regiones de funcionamiento: 

Zona de bloqueo inverso (VAK < 0): Ésta condición corresponde al estado de no conducción en inversa, comportándose como un diodo.



Zona de bloqueo directo (VAK > 0 sin sin disparo): disparo): El SCR se comporta como como un circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa. Zona de conducción (VAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor interruptor cerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho estado si el valor de la corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de mantenimiento.



La figura que sigue muestra las características corriente-tensión (I-V) del SCR y permite ver claramente cómo, dependiendo de la corriente de puerta (IG), dichas características pueden variar.

Activación o disparo y bloqueo de los SCR Podemos considerar cinco maneras distintas de hacer que el SCR entre en conducción: 

Disparo por tensión excesiva

Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de polarización se aplica sobre la la unión J2. El aumento de la tensión VAK lleva a una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como para la capa N adyacente. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son aceleradas por

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2012 el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de modo que, si al iniciar la circulación circulación de corriente se alcanza el límite IL, el dispositivo se mantendrá en conducción. 

Disparo por impulso de puerta

Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y la corriente IG, como se muestra:

El valor VGmin indica la mínima tensión de puerta que asegura la conducción de todos los componentes de un tipo determinado, para la mínima temperatura especificada. El valor VGmax es la máxima tensión de puerta que asegura que ningún componente de un tipo determinado entrará en conducción, para la máxima temperatura de operación. La corriente IGmin es la mínima corriente necesaria para asegurar la entrada en conducción de cualquier dispositivo de un cierto tipo, a la mínima temperatura. El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Thevenin para determinar la recta de carga sobre las curvas características VGK-iG. Para el ejemplo de la figura anterior, la recta de carga cortará los ejes en los puntos 6 V (tensión en vacío de corriente de disparo) y 6 V / 12 Ω = 0,5 A (intensidad de cortocircuito). Para asegurar la operación cor recta del componente, la recta de carga del circuito debe asegurar que superará los límites VGmin y iGmin, sin exceder los demás límites (tensión, corriente y potencia máxima). 

Disparo por derivada de tensión

Si a un SCR se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto, del orden de microsegundos, los portadores sufren un desplazamiento infinitesimal para hacer frente a la tensión exterior aplicada. Como se comentó para el caso de disparo por tensión excesiva, si la intensidad de fugas alcanza el valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor entrará en

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2012 conducción estable y permanecerá así una vez pasado el escalón de tensión que lo disparó. El valor de la derivada de tensión dv/dt depende de la tensión final y de la temperatura, tanto menor cuanto mayores son éstas. 

Disparo por temperatura

A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción. 

Disparo por luz

La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo. Los tiristores diseñados para ser disparados por luz o tiristores tiristores fotosensibles LASCR (“Light Activated SCR”) suelen ser de

pequeña potencia y permiten un aislamiento óptico entre el circuito de control y el circuito de potencia.

3. CUESTIONARIO 1.

Efectuar un análisis funcional cualitativo y cuantitativo de cada uno de los circuitos y presentarlos en forma ordenada

Mostramos el primer circuito en estudio:

Análisis cualitativo:

Describimos el funcionamiento, inicialmente tendremos la comba positiva de la entrada senoide, entonces como el SCR aun está apagado presenta una alta resistencia por tanto se comporta como un circuito abierto y la corriente que se genera ira hacia la compuerta del tiristor. El ángulo de disparo puede ser determinado por la posición del potenciómetro (R2). Si el valor del potenciómetro lo establecemos con un nivel muy bajo de resistencia entonces tendremos un ángulo pequeño en el disparo, sin embargo si tenemos un valor de resistencia alto, la entrada senoide debe tener un valor en su amplitud alto de tal manera que se pueda llegar a conseguir la corriente de compuerta que active al tiristor y lo dispare y por este motivo es que el ángulo de disparo aumenta. Vemos que el resistor R1 es un valor constante que elegiremos en el posterior diseño y aun cuando el potenciómetro no presente valor de resistencia (lo llevamos al mínimo) aun se puede contar con un valor de resistencia, R1 determinara en este caso el mínimo ángulo de disparo, se debe tener presente que el valor de RL es muy pequeño comparado con los otros valores y por tanto se puede despreciar su caída de tensión en el análisis posterior. También es necesario tener en cuenta que el ángulo de disparo máximo varía en el rango de 0º a 90º. Cuando el tiristor se ha disparado con cierto valor para el ángulo entonces presenta una resistencia muy baja al paso de la corriente que va de ánodo a cátodo y se comporta prácticamente como un cortocircuito, al presentarse seguidamente la comba negativa ya no hay una corriente que fluya hacia la compuerta y como la corriente del ánodo tiende a ser negativa entonces el tiristor pasa al estado de bloqueo y es por eso que se aprecia en la

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2012 simulación siguiente y esto debe comprobarse en la experiencia que para la comba negativa notamos a la salida que no conduce, hasta que llega la siguiente comba negativa con lo que se repite el funcionamiento explicado. Como ejemplo de que debemos obtener en la experiencia para la salida del circuito mostramos la siguiente simulación donde hemos elegido un valor de 90º para el ángulo de disparo del SCR:

Este es el segundo circuito de la experiencia:


Este circuito en estudio es muy similar al anterior, la diferencia radica en que se ha añadido un capacitor que llega a la compuerta del SCR y cierra circuito conectándose a tierra esto se observa en el grafico anterior. El análisis del funcionamiento del circuito es casi idéntico al anterior aunque aquí se presentara un análisis fasorial en el diseño posterior. Analizando el voltaje a través del capacitor C. Se observa que este voltaje está atrasado con respecto a la entrada cierto ángulo que depende del diseño del circuito, este mismo ángulo es el que define el ángulo de disparo para el SCR. De tal manera que el valor para el ángulo de disparo esta vez será fijo, mostremos una simulación para cierto valor de ángulo de disparo como se muestra:

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2012 Tercer circuito:


En este tercer circuito trabajamos con otro dispositivo conocido, el UJT que interviene junto con los resistores y capacitor para disparar el SCR comportándose como un oscilador de relajación. El punto de disparo del UJT es prácticamente estable en un amplio rango de temperatura, mientras que los SCR presentan una inestabilidad en relación a la temperatura tal y como se menciono en el fundamento teórico del presente informe. El circuito anterior es otro circuito conocido que nos ayuda a disparar un SCR con un UJT (transistor monounión). Se tiene una entrada senoide conectada seguidamente la carga que tiene un valor de resistencia despreciable en comparación con los otros resistores presentes en el circuito, se tiene además un diodo Zener D1 que nos permite recortar la forma de onda senoidal de entrada siempre bloqueándola en el tope del voltaje Zener esto claro durante la comba positiva ya que no hay conducción en la comba negativa de la senoide de entrada debido a que el Zener se polariza directamente. El diodo Zener actúa como una fuente de voltaje para el UJT y con su valor de tensión el circuito se comporta como un oscilador y empieza a cargarse con una constante de tiempo cuyo valor también depende del diseño del circuito C2.R7, el valor de este resistor debe seleccionarse para asegurar que la recta de carga determinada por R7 cruza a través de las características del dispositivo en la región de resistencia negativa, es decir a la derecha del punto pico pero a la izquierda del punto valle según la grafica de VE vs IE propias del dispositivo. Cuando C2 alcanza el valor pico del UJT, el UJT se dispara, produciendo un pulso de voltaje a través de R6. Esto pulso dispara al SCR; de este modo hace que fluya corriente por la carga durante el resto de la comba positiva. Este circuito proporciona una sincronización automática entre el pulso de disparo del UJT y la polaridad del SCR, esto debido al funcionamiento del diodo Zener que nos permite tener una sola referencia para así poder medir el ángulo de disparo para este circuito, el resistor R4 mostrado tiene como función únicamente estabilizar en temperatura al oscilador, mientras que el valor del resistor R6 debe seleccionarse lo suficientemente pequeña para asegurar que el SCR no se encienda por el voltaje VR6, el capacitor determinara el intervalo de tiempo entre los pulsos de disparo y el lapso de tiempo de cada pulso. Un ejemplo se mostrara mediante la simulación para ver cuál es la forma de la salida, vemos entonces como el SCR se logra disparar en base a un correcto diseño de los componentes, este diseño se indicará después.

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2012

Tendremos el cuarto circuito de esta experiencia: X2

R5

2N1595

V+

1k

VOFF = 0 VAMPL = 220v FREQ = 60Hz

V1

R6

D1

R4

C2

20k

0.02uF

1

D1N4148

M1

D2 D1N4148

2

V-

0


En este circuito los diodos D1 y D2 del circuito son elemento de protección contra los voltajes inversos que pueden dañar al SCR (juntura GK por el diodo D!). El diodo D2 compensa las variaciones de temperatura de los voltajes en ON de la juntura GK incluido el D2. La derivación del diodo inferior D1, puede derivar corriente. De igual manera este circuito tiene protección para corrientes de fuga excesivas del SCR mediante el diodo conectada al gate del SCR. Una de las características del Condensador C2, es también la compensación de la presencia de la carga inductiva del motor. Este circuito se puede utilizar para poder controlar el motor.

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2012 El ultimo circuito de la experiencia es:


Este circuito se puede apreciar las características de disparo de los SCR y el desempeño del SCR2 debido a la presencia de un diac. Los semiciclos positivos que apreciamos debido a la parte positiva de un periodo de onda del generador se presentan en el mismo instante que la fuente cruza en aumento por cero Para este circuito la potencia de la carga se puede controlar por variaciones del ancho del pulso de la onda rectangular. El generador de pulsos 555 es usado para activar la compuerta del SCR en este caso cumple la función de los primeros circuitos en donde se necesitaba del disparo para activar al tiristor una vez activado hace que circule la señal producido por el circuito de carga compuesto de R1 y C1 haciendo que el circuito tenga varios controles antes de poder apreciar la señal, un papel fundamental lo desempeña el diac ya que en función de su respuesta ya sea rápida o lenta la salida se vera de diferentes formas ya que para que la señal se pueda controlar completamente es necesario que exista sincronismo entre todos los componentes tal como se vio en la teoría es por tal motivo que se aprecia un periodo donde la salida se ha hecho nula como se aprecia en la simulación.

2.

En base a los elementos que se indican (solo son referenciales) determinar en forma previa a la experimentación las especificaciones de todos los componentes (diseño) y presentarlos tabulados para cada circuito.

Análisis cuantitativo del primer circuito:

Podemos hacer un pequeño diseño del circuito de la figura 1, teniendo algunos datos tales como: Voltaje de fuente de 220 Vrms, Igt = 15 mA. , R1 = 10K. Debemos encontrar el valor de R2 (potenciómetro) para que el ángulo de disparo sea de 90º. Primero debemos encontrar el valor instantáneo del voltaje de la fuente a 90º (220V.)( 2 ) = 312 V. Despreciando la caída de voltaje en la carga y los 0,6 V, que caen en la unión puerta-cátodo (ambos son despreciables respecto a 312V.), la resistencia total de la puerta es: (312V.)/(15mA) = 20.8 K Por tanto R2 = 20.8 K - 10 K = 10.8 K. es decir que podemos escoger un potenciómetro que incluya este valor tal como de 20K.

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2012 Análisis cuantitativo del segundo circuito:

En base a estos datos podemos diseñar el circuito: T = R×C = 20K×0.54µF = 10.8mseg   arctg (377 10.8mseg )  76.2 º   arcsen(

0.7voltios ) Vc

El angulo de disparo sera:  D

   

Análisis cuantitativo del tercer circuito:

Magnitud de los componentes de un circuito de disparo con UJT: Debemos tener especial cuidado en la selección de R1. El valor de R1 debe mantenerse tan bajo como sea posible y a la vez que sea capaz de generar un pulso de voltaje suficiente para cerrar realmente al SCR. Hay dos razones para esto: a.- Aún después de disparado el UJT, hay flujo de corriente a través de R1, debido a la

conexión entre el cuerpo del UJT y Vs. Esta corriente fácilmente puede alcanzar varios miliamperios dado que la resistencia de CORTE del UJT, rbb, es solamente del orden de 10K. Esto se muestra en la ecuación siguiente: V S

I R1 

R2  r BB  R1

En este cálculo, R1 y R2 se han despreciado, dado que siempre son pequeñas comparadas con rbb. Debido a esta corriente no despreciable, R1 debe mantenerse en un valor bajo, para que el voltaje en sus terminales, el cual se aplica a al puerta del SCR, sea también bajo. b.- Con un valor pequeño de R1, hay menos posibilidades que un pulso de ruido pueda cebar

fácilmente a SCR. Las fuentes externas de ruido (las armaduras del motor, soldadores, cajas de control, etc.), crean señales de ruido indeseables, las cuales puedan hacer que suceda esto. Las resistencias de valor pequeño son más propensas a captar señales de ruido que las de valor grande. Específicamente cuando R1 se mantiene en valores bajos, hay menos posibilidades que una señal de ruido que aparezca en ella pueda disparar el SCR. Un método para seleccionar los componentes para nuestro circuito será presentado enseguida. Asumamos el UJT 2N4947, el cual tiene la siguientes características a una tensión de alimentación de 20V. : rbb = 6K n = 0.60 Ip = 2 uA

Iv = = 4 mA Vv = = 3 V.

Si DZ1 tiene un voltaje de ruptura de 20V., entonces la corriente a través de R1, antes del disparo esta dada: I R1



20 voltios R2



r BB

 R1



20 v 6k 

Dado que la mayoría de los SCR se dan con un Vgk del orden de 0,7V. a 1V., es por tanto razonable hace que Vr1 no sea mayor que 0.3V. Mientras el UJT está esperando la señal de disparo. Esto nos da un margen de ruido del orden de 0.4V., el cual es muy adecuado. Por tanto: R1 

V R1 I R1

100   100

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2012 Como sabemos R7 debe ser lo suficientemente pequeña para permitir la circulación de la corriente necesaria, Ip, hacia el emisor para disparar el UJT. También, R7 debe ser lo suficientemente grande para impedir que el UJT quede enganchado; es decir, R7 no debe permitir que por el emisor circule una corriente igual o mayor a la corriente de valle Iv , después que C2 se se haya descargado. Si una corriente igual a Iv continúa continúa fluyendo, el UJT no regresará al estado de CORTE, y se dice que esta enganchado. Tenemos: V  V V 20 v  30 v R7 ,min  S   4.25 k I V 4mA lo cual significa que R7 debe debe ser mayor que 4,25K, para garantizar el corte del UJT. Es necesario hacer notar para el circuito, que el enganche del UJT no puede durar más allá de un semiciclo, puesto que Vs desaparece cuando la línea AC se invierte. Sin embargo, aún un enganche durante medio ciclo es indeseable debido a que podría resulta en una corriente de puerta hacia el SCR en forma continua durante la totalidad del ángulo de conducción. Este efecto hace que se incremente la disipación de potencia en la puerta y podría reducir daño de la puerta del SCR por acción térmica. Siguiendo, encontramos que Vp esta dado por: Vp= VB2B1 +VD = 0.6*20V + 0.6 = 12.6

Donde VB2B1 ha sido tomado en 20V., lo cual es aceptable de acuerdo a R1 y R2 . También: R7 ,m in 

V S  V V I P



20v  12.6v 2  A



3.7 M 

Lo cual significa que R7 debe ser menor a 3,7M, para poder entregar suficiente corriente al emisor para el disparo del UJT. El valor de R7 puede puede calcularse promediando los valores anteriores de R7 máximo máximo y mínimo, obteniendo 1,87M.

R7



 R7 min  R7 max 

Sin embargo podemos tomar la media geométrica. El valor más cercano de potenciómetro es de 100k y tomamos este valor. Ahora debemos calcular el correcto valor de C2 , se admite cuando la resistencia variable este en el circuito, el tiempo de carga para alcanzar Vp será la mitad del período de la línea AC. Esto nos permite un amplio rango de ajuste para el ángulo de disparo. El tiempo de carga para Vp se da aproximadamente por medio de la siguiente ecuación, donde el tiempo de semiciclo para 60 Hz. es de 8 ms.: C 2 

R7*C2=8*10^-3 →

8 10

3

110 10

3

Tomemos un valor comercial para C2 que que es de 0.068uf. R2 es es difícil de calcular y usualmente se determina experimentalmente o con ayuda de gráficas. Generalmente R2 se toma entre 0.5K y 3 K. para darle una mejor estabilidad térmica al UJT. Ahora calculemos el valor de DZ1 y Rd . Sea el DZ1 no mayor a 1W. Esto es razonable. Entonces el Zener puede disipar una potencia promedio de 1W., puede disipar casi 2W. En el semiciclo positivo, por la potencia en el semiciclo negativo es casi despreciable, debido a que la caída de tensión es casi despreciable ya que se polariza el diodo en directa. Por tanto la

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2012 corriente promedio en el ZENER es: I = Psemi+ Vs

= 2w =100mA =100m A 20V

Rd debe seleccionarse de tal manera que no deje pasar más de 100ma, en promedio. Durante el semiciclo positivo. Una aproximación para el voltaje en esta resistencia es de 100V., por: Vlinea –Vz =120V-20V= 100V Por tanto: Rd = 100V =1k 100mA Generalmente debe tomarse un valor mayor, entonces tomemos 2.2K. El rango de potencia de Rd puede tomarse con una caída de 100 V.rms a través de la resistencia: PRD = V^2 = 100^2 = 4.5W Rd 2.2K Para este circuito, el control de disparo vendrá dado por el valor de Vp propio del UJT. que se halla: Vp= VB2B1 +VD  13.2V Para que el circuito de control dispare, el condesador deberá cargarse a 13,2V. De donde: =C*R  0.088u*100K = 8.8m

Análisis cuantitativo del quinto circuito:

Para diseñar el circuito es necesario conocer el periodo de oscilación oscilación el cual debe sincronizar con el circuito compuesto por R1 y C1:

  R1C 1 el cual es el tiempo tiempo en donde la señal debe tener el 63% de la amplitud total de ola onda además de poder estabilizarse para un periodo de tiempo igual a 5 entonces tomaremos este valor como el periodo:

5  5 R1C 1



1 60 Hz

para R1 = 3.3K  → C1 = 220nF la demás resistencias son para permitir el ingreso de la corriente de compuerta

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