INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. CUAUHTÉMOC
ELECTRÓNICA II
Práctica 2
SCR Silicon Controlled Rectifier
ALUMNOS Holguín Moctezuma Luis E.
09610390
Leyva Zúñiga Jorge R.
08610371
Núñez Cruz Marylé
09610452
Dr. David Sáenz Zamarrón
i
Cd. Cuauhtémoc, Chih., Junio de 2012
ii
CONTENIDO
Índice de figuras
iii
Índice de tablas
iv
I.
Introducción………………………………………………………………………..
1
II.
Marco teórico………………………………………………………………………
2
2.1 Definición……………………………………………………………………….
2
2.2 Estructura interna…………………………………………………………....
3
2.3 Disparo de puerta…………………………………………………..………..
3
2.4 Tensión de entrada………………………………………………..………….
4
2.5 Reiniciar el SCR…………………………………………………………...……
5
2.6 Curva característica…………………………..…..…………..……………..
5
III.
Objetivo…..…………………………………………………………………………
6
IV.
Material y equipo………………………………………………………………...
7
V.
Metodología………………………………………………………………………..
10
VI.
Desarrollo………………………………………………………………………..…
12
5.1Tensión de disparo…………………………………………………………..
12
5.2 Corriente de disparo…………………………………………………………
13
5.2 Corriente de mantenimiento………………………………………………..
13
VII.
Resultados………………………………………………………………………….
15
VIII.
Conclusiones…………………………………………………………………...….
17
Bibliografía……………………………………………………………………….…………
18
Anexo A Datasheet parcial del SCR C106D…………………………………………
19
iii
Índice de figuras
Figura 2.1
Esquema de un SCR….………….………..………………………….……
2
Figura 2.2
Estructura básica del SCR……...…………………………………………
3
Figura 2.3
Circuito básico del SCR……………………………………………………
4
Figura 2.4
Curva característica………………………………………………………..
5
Figura 5.1
Circuito del SCR……………………………………………………………
10
Figura 6.1
Simulación del SCR…………………………………………………………
12
Figura 6.2
Circuito armado……………………………………………………………
13
Figura 6.3
Corriente de mantenimiento………..…………………………………..
14
Figura 7.1
Corriente de disparo del SCR C106D …………………………………
16
Figura 7.2
Voltajes de disparo del SCR C106D ………………………..…………
16
Figura 7.3
Corrientes de mantenimiento del SCR C106D………………………
16
iv
Índice de tablas
Tabla 4.1 Componentes electrónicos………………………………………………...
7
Tabla 4.2 Equipos y software…………………………………………………………..
9
Tabla 7.1 Resultados de la simulación……………………………………………....
15
Tabla7.2 Resultados del circuito físico……………………………………………
15
v
I.
Introducción
Tiristor es el nombre genérico que se da a una familia entera de semiconductores construidos con cuatro o más capas de material semiconductor y tres o más junturas pn. El más sencillo de ellos es el PNPN. Aunque a toda la familia de semiconductores de cuatro capas se les llama Tiristor, es al SCR al que normalmente se le aplica el nombre de Tiristor, siendo también el más usado y desarrollado.Como lo indica la terminología, el SCR es un rectificador construido de silicio que cuenta con una tercera terminal para efectos de control. Se eligió el silicio debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia(Boylestand & Nashelsky, 2003). Como todos los componentes de electrónica el SCR tiene varias características de funcionamiento que deben comprenderse y conocerse para lograr un alto desempeño de la aplicación al que será aplicado. Las características del tiristor (en particular su gran capacidad de manejo de potencia) aseguran que siempre tendrán importantes aplicaciones en la electrónica de potencia. Por tanto, el diseñador y usuario de dispositivos de electrónica de potencia deben tener conocimientos prácticos de estos dispositivos (Ned, Undeland, & Robbins, 2004). Por ejemplo si algo sucede dentro de la fuente de alimentación que cause que su tensión de salida se eleve, los resultados pueden ser devastadores. Esto se debe a que algunas cargas, como circuitos integrados muy caros, no pueden soportar tensiones de alimentación excesivas sin ser destruidos. Una de las aplicaciones
1
más importantes del SCR es la protección de cargas delicadas y caras contra sobretensiones de la fuente de alimentación(Ned, Undeland, & Robbins, 2004).
II.
Marco Teórico
Los SCR pertenecen a uno de los tipos más antiguos (1957, en los laboratorios de investigación de General Electric) de dispositivos de potencia de estado sólido y todavía tienen la capacidad más alta de manejo de potencia. Tienen una construcción única de cuatro capas y son interruptores de bloqueo. El SCRes el tiristor que más se usa. Puede conmutar corrientes muy elevadas y, por ello, se emplea en control de motores, hornos, sistemas de aire acondicionado y calentadores de inducción(Malvino, 2000).
2.1 Definición El SCR es un controlador de silicón rectificador, comúnmente usado en circuitos electrónicos por su economía, cuenta con 3 terminales: ánodo, cátodo y puerta de disparo, como el que se muestra en la figura 2.1
2
Figura 2.1Esquema de un SCR
El SCR resulta mucho más útil que un diodo de cuatro capas porque el disparo de puerta es más sencillo que el disparo mediante tensión de cebado(Malvino, 2000).
2.2 Estructura interna del SCR La figura 2.2 muestra la estructura interna de un SCR, en ella se pueden verlas letras "N" y "P" que se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del tiristor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son PNPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
3
Figura 2.2Estructura básica del SCR
2.3 Disparo de puerta Como la puerta de un SCR está conectada a la base de un transistor interno, se necesitan al menos 0,7 V para disparar un SCR. Las hojas de características indican esta tensión como tensión de disparo,
.En lugar de especificar la
resistencia de entrada de la puerta, algún fabricante proporciona la mínima corriente
de
entrada
necesaria
para
que
el
SCRconduzca.
Lashojas
características indican esta corriente con el nombre de corriente de disparo,
de .
Por ejemplo la hoja de características de un 2N4441 da una tensión y una corriente de disparo de:
lo que significa que la fuente que alimenta la puerta del 2N4441 tiene que proporcionar 10 mA a 0,75 V para cebar el SCR(Malvino, 2000). 2.4 Tensión de entrada 4
Un SCR como el que se muestra en la figura 2.3 posee una tensión depuerta Cuando esta tensión es mayor que
.
, el SCR conducirá y la tensión de salida
caerá desde +Vcca un valor bajo. Algunas veces se usa unaresistencia de puerta, como se muestra aquí. La resistencia limita la corriente de puerta a un valor seguro. La tensión de entrada que se necesita para disparar un SCR tiene que ser mayor que (2-1)
En esta ecuación,
e
son la tensión y corriente de disparo necesarias para
la puerta del dispositivo. Estos valores se encuentran en las hojas de características. Cuando se tiene el valor de usara una resistencia de puerta,
, el cálculode
es directo. Si no se
es la resistencia Thevenin del circuito que exita
la puerta. A menos que se satisfaga la ecuación 2-1, el SCR no se puede cerrar(Malvino, 2000).
Fig. 2.3 Circuito básico del SCR
5
2.5 Reiniciar el SCR Después que el SCR se ha disparado permanece así incluso aunque se reduzca a cero. En este caso, la tensión de salida se mantiene baja indefinidamente. La única forma de reiniciar el SCR consiste en reducir su corrientea un valor menor que la corriente de mantenimiento; esto se hace normalmentereduciendoVcc a un valor bajo. Como la corriente de mantenimiento circula a través de la resistencia de carga de la figura 2.3, la tensión de alimentación para que el SCR conduzca tiene que ser menor que (2-2)
2.6 Curva característica En la figura 2.4 se muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta. La interpretación directa de la curva característica nos dice que cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es.
Figura 2.4Curva característica
6
Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VB) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta, ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de éste (Bolyestand & Nashelsky, 1997).
III.
Objetivo
Entender el funcionamiento básico de un SCR en forma simulada y real,lográndolo disparar y comprobar la caída de voltaje ánodo-cátodo. Una vez realizado el disparo se debe encontrar el voltaje y corriente mínimas requeridas para el disparo mediante la precisión en la subida de corriente realizada con
un
potenciómetro;también se deberá encontrar la corriente de mantenimiento, es decir, la corriente mínima que debe existir entre ánodo-cátodo para mantener la activación del SCR causada por el disparo.
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IV.
Material y Equipo
A continuación se presentan los componentes e instrumentos necesarios para el desarrollo de la práctica. La tabla 4.1 presenta una descripción de los componentes y la Tabla 4.2 muestra los equipos y software necesarios para comprobar los parámetros de encendido y apagado del SCR.
Tabla 4.1Componentes electrónicos Componente Rectificador Controlado de
Descripción Un
SCR
interruptor.
actúa
a Es
Figura
semejanza un
de
un
dispositivo
8
Silicón SCR
semiconductor biestableformado por tres
C106D
uniones pn con la disposición pnpn. Está formado
por
tres
terminales,
llamados
Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente
es
único).
Dado
que
es
un
dispositivo de estado só1ido, la acción de conmutación de un SCR es muy rápida. Además de ser rectificador y amplificador a la vez. La
alimentación de voltaje es
comúnmente una fuente de 60-Hz de CA, pero
puede
ser
de
cd
en
circuitos
especiales.
Oposición que encuentra la corriente a su Resistencias
paso por un circuito eléctrico, atenuando el libre flujo de circulación de las cargas
(1 de 4.7 KΩ
eléctricas o electrones. En está ocasión se
1 de 220 Ω)
utilizaran resistencias de ¼ w de potencia, la tolerancia es del 5%.
9
Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente,
se
puede
controlar
la
intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la Potenciómetros (1 de 1MΩ
diferencia de potencial al conectarlo en serie. Éste dispositivo tiene un contacto móvil que se mueve a lo largo de la
1 de 100 Ω)
superficie de una resistencia de valor total constante. Este contacto móvil se llama cursor o flecha y divide en dos resistencias cuyos valores son menores y su suma tendrá siempre el valor de la resistencia total. Light-EmittingDiode: "diodo emisor de luz", es un diodo semiconductor que emite luz.
Diodo Led
Tiene un voltaje de operación desde 1.5 V a 3.8 V aproximadamente y la gama de corrientes que circulan por él va de los 10mA a 20mA dependiendo del color.
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Tabla 4.2Equipos y software Elemento
Descripción
Imagen
El Programa ISIS, IntelligentSchematic Input System (Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente) permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar con componentes muy Simulador ISISProteus 7
variados, desde simples resistencias, hasta
alguno
que
otro
microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación, generadores de señales y muchos otros componentes con prestaciones diferentes. Es
un instrumento eléctrico
medir
directamente
para
magnitudes
eléctricas activas como corrientes y Multímetro
potenciales como
(tensiones)
resistencias,
o
pasivas
capacidades
y
otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una.
11
Fuente de Voltaje (1 de 0V - 20V 1 de 5V )
V.
Es un dispositivo que convierte la tensión
alterna
de
la
red
de
suministro, en una o varias tensiones continuas,
que
alimentan
los
distintos circuitos al que se conecta.
Metodología
La comprobación de las características generales del SCR C106D puede llevarse a cabo más fácilmente si se obedece a la siguiente metodología: a) Armar el circuito de la figura 5.1 en ISIS Proteus 7.
Figura 5.1Circuito del SCR b) Obtener la tensión de disparo cuando RV1 está en valor máximo y RV2 en valor mínimo, entonces se observa que Vak mantiene una tensión igual o
12
muy similar a B2 que se registra en V2; lo que indica que el SCR se encuentra apagado. Al comenzar a variar RV1 llegará un momento en que Vak tendrá una caída de tensión muy grande lo que indica que el SCR se ha disparado, una vez en conducción el SCR mantiene ese estado, incluso aunque desaparezca el impulso inicial de puerta, hasta que el circuito externo baje la corriente de ánodo por debajo de la IH. La tensión que se registró V1 en él un momento antes de la caída de voltaje es la tensión de disparo. c) La corriente de disparo,
, es aquella que queda registrada en A1 cuando
Vak recibió la caída de voltaje en el paso anterior, es decir, estas 2 mediciones deben llevarse a cabo al mismo tiempo. d) Para obtener la corriente de mantenimiento debe estar RV2 en valor mínimo y el SCR disparado, en ese momento se empieza a aumentar lentamente el valor de RV2, hasta que Vak registre un aumento de tensión como el de B2 en V2; la corriente de mantenimiento será la última corriente que registró A2 antes del aumento de tensión en Vak que se registra en V2. e) Todos los parámetros obtenidos en los incisos b, c y d, deberán ser ratificados para diferentes valores de Vak. f) Montar en una tablilla de protoboard el circuito de la figura 5.1 y repetir los incisos b, c, d y e. g) Una vez obtenidos los valores de tensión de disparo, corriente de disparo y corriente de mantenimiento en la simulación y el circuito físico se analizarán los resultados obtenidos con la hoja de datos del SCR C106D.
13
VI.
Desarrollo
Como se explicó en el capítulo 5, la comprobación de las características del SCR debe hacerse en un software de simulación (ISIS Proteus 7) y en un circuito físico con diferentes valores de Vak. A continuación se hace una descripción de dichas características en la simulación y el circuito físico. 5. 1 Tensión de disparo
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La figura 6.1 muestra la simulación en ISIS Proteus 7. En la cual se aprecia el SCR al centro, conectado a la izquierda el circuito de disparo y el potenciómetro para regular los valores de tensión y corriente de disparo; al lado derecho el circuito ánodo - cátodo también con su respectivo potenciómetro para la corriente de mantenimiento.
Figura 6.1Simulación del SCR
En la
figura 6.2 se muestra el circuito armado en físico, que a diferencia del
circuito anterior tiene un led para indicar el apagado y encendido del SCR, sin embargo, debe ser retirado para realizar las mediciones de las características del SCR.
15
Figura 6.2Circuito armado
Con RV1 en valor máximo, RV2 en valor mínimo y el impulso de puerta activo se empieza a aumentar el valor de RV1 hasta que el voltaje de Vak experimente un descenso muy grande; el valor de tensión registrado en A1 en el instante de este cambio de tensión en Vak, es la tensión de disparo.
5. 2 Corriente de disparo Esta característica debe ser comprobada simultáneamente con la tensión de disparo, es decir, debe existir un multímetro en serie con RV1 y el switch de compuerta. Y en el momento de la caída de voltaje de Vak la corriente registrada en este multímetro será la corriente de disparo.
5.3 Corriente de mantenimiento Una vez que el SCR esta disparado se empieza a aumentar lentamente el valor de RV2, hasta que Vak tenga un aumento de tensión muy grande (similar a V2); la corriente que se registró un instante antes de este aumento de tensión es la 16
corriente de mantenimiento. En la figura 6.3 se muestran valores de IH obtenidos en el circuito físico para los diferentes valores de Vak.
Figura 6.3Corriente de mantenimiento
NOTA: El SCR que se utiliza en la simulación es diferente al utilizado en el circuito físico, esto debido a la ausencia del componente en el software de simulación.
17
VII.
Resultados
La tabla 7.1 muestra los resultados obtenidos en ISISProteus 7; en ésta ocasión se utilizan diferentes valores de voltaje en ánodo-cátodo y con la ayuda de los potenciómetros se precisarán voltajes de disparo,
corrientes de disparo y la
corriente de mantenimiento.
Tabla 7.1Resultados de la simulación Fuente de Disparo
Vak
Corriente de
Tensión de
Disparo,
Disparo,
Corriente de mantenimiento, IH
5V
19 V
1.75 mA
0.62 V
7.48 mA
5V
16 V
2.09 mA
0.62 V
7.48 mA
5V
10 V
2.09 mA
0.62 V
7.47mA
Los resultados obtenidos mediante las mediciones del circuito físico con el SCR C106D se encuentran en la tabla 7.2, en ésta se aprecian las corrientes y voltajes de mantenimiento y disparo.
Tabla 7.2Resultados del circuito físico 18
Fuente de Disparo
Vak
Corriente de
Tensión de
Disparo,
Disparo,
Corriente de mantenimiento, IH
5V
19 V
0.033 mA
0.56 V
0.26 mA
5V
16 V
0.035 mA
0.57 V
0.27mA
5V
10 V
0.037 mA
0.58 V
0.28 mA
Si se observa la figura 7.1, donde se muestra la corriente de disparo del SCR, se comprueba que los valores obtenidos en el circuitose encuentran dentro del rango de 0.20 mA a 5.0 mA, dependiendo del valor de Vak.
Figura 7.1Corriente de disparo del SCR C106D Para los valores de tensión de disparo obtenidos en el circuito (véase tabla 7.2), se observa que están dentro del rango de aceptación de la tensión de disparo.
Figura 7.2 Voltajes de disparo del SCR C106D 19
La figura 7.3 muestra una sección de la tabla de las características eléctricas de la hoja de datos del SCR C10D, donde se comprueba que los valores de la corriente de mantenimiento obtenidos en el circuito son aceptables.
Figura 7.3 Corrientes de mantenimiento del SCR C106D
VIII.
Conclusiones
El SCR es un dispositivo electrónico muy utilizado para muchas aplicaciones que se extienden desde rectificación, conmutación, inversión de corriente, entre otros; por lo que es importante conocer los valores de tensión de disparo, corriente de disparo,
;de
; y corriente de mantenimientoque determinan el
encendido y apagado del SCR, pues ayudarán a determinar los rangos de corrientes y tensiones que son necesarios para el correcto funcionamiento del SCR.
20
El hecho de que la conducción pueda ser controlada por la señal de puerta presenta una gran ventaja sobre otros dispositivos, como los diodos. Lo que hace al SCR el tiristor más usado en circuitos de electrónica.
Bibliografía Bolyestand, R. L., & Nashelsky, L. (1997). Fundamentos de Electrónica. México. Prentice-Hall.
21
Boylestand, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de circuitos y
dispositivos electrónicos. México. Pearson Educación. Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. Madrid. McGraw Hill. Ned, M., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2004). Electrónica de Potencia. México. Mc Graw Hill.
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Anexo ADatasheet parcial del SCR C106D
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