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Tutorial de ejercicios de Aplicacion del SCR

Tiristores, el Diac, el Triac:

Ejercicios resueltos del Triac

EJEMPLO PRACTICO DE APLICACION. DISEŇO

En la FIG.9 puede verse una aplicación práctica de gobierno de un motor de c.a. mediante un triac (TXAL228). La señal de control (pulso positivo) llega desde un circuito de mando exterior a la puerta inversora de un ULN2803 que a su salida proporciona un 0 lógico por lo que circulará corriente a través del diodo emisor perteneciente al MOC3041 (opto acoplador). Dicho diodo emite un haz luminoso que hace conducir al fototriac a través de R2 tomando la tensión del ánodo del triac de potencia. Este proceso produce una tensión de puerta suficiente para excitar al triac principal que pasa al estado de conducción provocando el arranque del motor.

Debemos recordar que el triac se desactiva automáticamente cada vez que la corriente pasa por cero, es decir, en cada semiciclo, por lo que es necesario redisparar el triac en cada semionda o bien mantenerlo con la señal de control activada durante el tiempo que consideremos oportuno. Como podemos apreciar, entre los terminales de salida del triac se sitúa una red RC cuya misión es proteger al semiconductor de potencia, de las posibles sobrecargas que se puedan producir por las corrientes inductivas de la carga, evitando además cebados no deseados.

Es importante tener en cuenta que el triac debe ir montado sobre un disipador de calor constituido a base de aletas de aluminio de forma que el semiconductor se refrigere adecuadamente.

El Triac

TRIAC ●

     El triac es fundamentalmente un diac con una terminal de compuerta para controlar las condiciones de encendido del dispositivo bilateral en cualquiera de las dos direcciones. En otras palabras, para cualquier dirección la corriente de compuerta puede controlar la acción del dispositivo de una manera muy parecida a la demostrada para un SCR. Sin embargo, las características del triac en el primero y tercer cuadrantes son algo diferentes de las del diac, como se muestra en la figura 17.33c. Observe que la corriente de mantenimiento en cada dirección no aparece en las características del diac.

     El símbolo gráfico del dispositivo y la distribución de las capas semiconductoras se dan en la figura 17.33 junto con fotografías del dispositivo. Para cada una de las posibles direcciones de conducción hay una combinación de capas semiconductoras cuyo estado controlará la señal aplicada a la terminal de compuerta.

 El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

Estructura interna del Triac:

La estructura contiene seis capas como se indica en la FIG. b, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido MT2-MT1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido MT1-MT2 a través de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace mas delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 1000 V de tensión de pico repetitivo. Los triac son fabricados para funcionar a frecuencias bajas, los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores. El Triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Fig. b , este dispositivo es equivalente a dos latchs.

METODOS DE DISPARO

    Como hemos dicho, el Triac posee dos ánodos denominados ( MT1 y MT2) y una compuerta G.

La polaridad de la compuerta G y la polaridad del ánodo 2, se miden con respecto al ánodo 1.

El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. Veamos cuáles son los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos posibles de disparo.

1 – El primer modo del primer cuadrante designado por I (+), es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son positivas con respecto al ánodo MT1 y este es el modo mas común (Intensidad de compuerta entrante).

La corriente de compuerta circula internamente hasta MT1, en parte por la union P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2, que es favorecida en el área próxima a la compuerta por la caida de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de compuerta. Esta caída de tensión se simboliza en la figura por signos + y - .

Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1 que bloquea el potencial exterior y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

2 – El Segundo modo, del tercer cuadrante, y designado por III(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 y la tensión de la compuerta son negativos con respecto al ánodo MT1 (Intensidad de compuerta saliente). Se dispara por el procedimiento de puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4. La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.

3 – El tercer modo del cuarto cuadrante, y designado por I(-) es aquel en que la tensión del ánodo MT2 es positiva con respecto al ánodo MT1 y la tensión de disparo de la compuerta es negativa con respecto al ánodo MT1( Intensidad de compuerta saliente).

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal P1N1P2N2.

El disparo de la primera se produce como en un tiristor normal actuando T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal, que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

4 – El cuarto modo del Segundo cuadrante y designado por III(+) es aquel en que la tensión del ánodo T2 es negativa con respecto al ánodo MT1, y la tensión de disparo de la compuerta es positiva con respecto al ánodo MT1(Intensidad de compuerta entrante).

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.

La inyección de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I(+). Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbido por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

El estado I(+), seguido de III(-) es aquel en que la corriente de compuerta necesaria para el disparo es mínima. En el resto de los estados es necesaria una corriente de disparo mayor. El modo III(+) es el de disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

En general, la corriente de encendido de la compuerta, dada por el fabricante, asegura el disparo en todos los estados.

FORMAS DE ONDA DE LOS TRIACS

La relación en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga se representa en la FIG siguiente . La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta.

 Un triac no esta limitado a 180 de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360 del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un SCR.

Las formas de onda de los triacs son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la FIG.8 se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del triac ( a través de los terminales principales) para dos condiciones diferentes.

En la FIG.8 (a), las formas de onda muestran apagado el triac durante los primeros 30 de cada semiciclo, durante estos 30 el triac se comporta como un interruptor abierto, durante este tiempo el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del triac, sin aplicar ningún voltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del triac y la carga.

La parte del semiciclo durante la cual existe seta situación se llama ángulo de retardo de disparo.

Después de transcurrido los 30 , el triac dispara y se vuelve como un interruptor cerrado y comienza a conducir corriente a la carga, esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción.

La FIG.8 (b) muestran las mismas formas de ondas pero con ángulo de retardo de disparo mayor.

Control de Fase (Potencia)

Una aplicación fundamental del triac se presenta en la figura 17.34. En esta capacidad, controla la potencia de ca suministrada a la carga encendiéndose y apagándose durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de entrada. La ventaja de esta configuración es que durante la parte negativa de la señal de entrada se obtendrá el mismo tipo de respuesta ya que tanto el diac como el triac se pueden encender en la dirección inversa. La forma de onda resultante de la corriente a través de la cargaaparece en la figura 17.34. Si modificamos el resistor R, podemos controlar el ángulo de conducción. Existen unidades disponibles capaces de manejar cargas de más de 10 kW.

Aplicaciones del SCR

Interruptor estático en serie:

En la figura 17.11a se muestra un interruptor estático en serie de media onda. Si el interruptor está cerrado como se muestra en la figura 17.11b, durante la parte positiva de la señal de entrada fluirá un corriente de compuerta y el SCR se encenderá. El resistor R1 limita la magnitud de la corriente de compuerta. Cuando el SCR se enciende, el voltaje del ánodo al cátodo (VF) se reducirá al valor de conducción, y la corriente de compuerta se reduce en gran medida con una pérdida mínima en el circuito de la compuerta. Para la región negativa de la señal de entrada, el SCR se apagará puesto que el ánodo es negativo con respecto al cátodo. Se incluye el diodo D1 para impedir una inversión en la corriente de compuerta. Las formas de onda para el voltaje y la corriente de la carga resultantes se muestran en la figura 17.11b. El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la carga. Si se desea una conducción de menos de 180°C, el interruptor se puede cerrar a cualquier desfasamiento durante la parte positiva de la señal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético o mecánico, dependiendo de la aplicación.

Control de fase de resistencia variable:

   En la figura 17.12a se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción de entre 90° y 180°C. El circuito es semejante al de la figura 17.11, excepto por la adición de un resistor variable y la eliminación del interruptor. La combinación de los resistores R y R1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 se establece a su valor máximo, es posible que la corriente de compuerta nunca alcance una magnitud de encendido. A medida que R1 se reduce a partir de su valor máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de entrada. De esta forma, se puede establecer la corriente de compuerta de encendido requerida en cualquier punto entre 0° y 90°, como se muestra en la figura 17.2b.

   Si el valor de R1 es bajo, el SCR se encenderá casi de inmediato, y el resultado será la misma acción que se obtuvo con el circuito de la figura 17.11a (conducción durante 180°C). Sin embargo, como se indicó antes, si R1 se incrementa, se requerirá un mayor voltaje de entrada (positivo) para encender el SCR. Como se muestra en la figura 17.12b, el control no se puede ampliar más allá del desfasamiento de 90° puesto que la entrada alcanza su valor máximo en este punto. Si no se enciende con éste y con valores menores de voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta en la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. La operación en este caso normalmente se conoce en términos técnicos como control de fase de resistencia variable de media onda. Es un método efectivo de controlar la corriente RMS y por consiguiente la potencia suministradas a la carga.       

Regulador de carga de baterías:

  

      Una tercera aplicación de gran uso del SCR es un regulador de carga de baterías. En la figura 17.13 se muestran los componentes fundamentales del circuito.

    Como se indica en la figura, D1 y D2 establecen una señal rectificada de onda completa a través del SCR1 y la batería de 12 V que se va a cargar. A voltajes bajos de la batería, el SCR2 está “apagado” por razones que se explicarán en breve. Con el SCR2 abierto, el SCR1 que controla el circuito es exactamente el mismo que el control de interruptor estático en serie analizado al principio de esta sección. Cuando la entrada rectificada de onda completa es lo bastante grande para producir la corriente de encendido requerida en la compuerta (controlada por R1), el SCR1 se encenderá y la batería comenzará a cargarse. Al inicio de la carga, el bajo voltaje de la batería dará por resultado un bajo voltaje VR determinado por el sencillo circuito de divisor de voltaje. A su vez, el voltaje VR es demasiado pequeño para provocar conducción en el Zener de 11.0 V. En el estado “apagado” el Zener es efectivamente un circuito abierto, y mantiene el SCR2 en el estado “apagado” puesto que la corriente de compuerta es cero. Se incluye el capacitor C1 para impedir que cualquier voltaje transitorio en el circuito encienda accidentalmente el SCR2. (el voltaje no puede cambiar instantáneamente a través de un capacitor). De esta manera, el C1 evita que los efectos transitorios afecten al SCR. A medida que continúa la carga, el voltaje de la batería se eleva a un punto en el que VR es suficientemente alto para encender tanto el Zener de 11.0 V como el SCR2. Una vez que el SCR2 se enciende, la representación de cortocircuito de éste dará por resultado un circuito divisor de voltaje determinado por R1 y R2 que mantendrán V2 a un nivel demasiado pequeño para encender el SCR1. Cuando esto ocurre, la batería esta totalmente cargada y el estado de circuito abierto del SCR1 interrumpirán la corriente de carga. Por tanto el regulador recarga la batería siempre que el voltaje se reduce e impide que se sobrecargue cuando está totalmente cargada.

Ejercicios del SCR:

El circuito de la figura representa un circuito simple de control de potencia que utiliza un tiristor como elemento de control de una carga resistiva. Determinar el valor de V necesario para producir el disparo del tiristor. Suponiendo que se abre el interruptor, una vez disparado el tiristor, calcular el valor mínimo de tensión, VE, que provoca el apagado del mismo.

DATOS:

  

PROBLEMA 2

En el circuito de la figura, para un tiempo de apagado del tiristor, t off = 15s, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado.

     Se puede afirmar que la tensión en el condensador, que es la misma que la que existe en extremos del tiristor, varía exponencialmente desde un valor negativo inicial hasta que se alcanza un valor nominal de la batería (+ E ).  El tiempo para el cual la tensión en el condensador es negativa se denominará tq; El valor de este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, ya que si es lo suficientemente grande permitirá el paso de conducción a corte del tiristor, es decir, sólo si el valor del tiempo tq es mayor que el valor del tiempo t off    se producirá la conmutación del tiristor.
 Igualando a cero el valor de la tensión en el condensador para un tiempo tq.

 

Como el valor del tiempo tq es mayor que el valor de toff , el tiristor pasará a corte sin ninguna dificultad. El circuito equivalente suponiendo I A= 0 es:

El SCR

DISPOSITIVOS pnpn
(El Diodo de cuatro capas)

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO SCR

Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio es el  de mayor interés. Fue presentado por primera vez en 1956 por Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR incluyen controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de potencia reguladas, interruptores estáticos, controles de motor, recortadores, inversores, cicloconvertidores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefactores y control de fase.

     En años recientes, los SCR han sido diseñados para controlar potencias tan altas  como 10 MW con valores nominales individuales hasta de 2000 A a 1800 V. Su intervalo de frecuencia de aplicación también se ha ampliado hasta 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones como calefacción por inducción y limpieza ultrasónica.

OPERACIÓN BÁSICA DE UN

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO

     Como la terminología lo indica, el SCR es un rectificador construido de silicio con una tercera terminal para propósitos de control. Se eligió el silicio por sus altas capacidades de temperatura y potencia.

    La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor fundamental de dos capas en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuando el rectificador cambia del estado de circuito abierto al estado de cortocircuito. No basta con simplemente polarizar en directa la región del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la resistencia dinámica del SCR en general es de 0.01 Ω a 0.1 Ω. La resistencia en inversa suele ser de 100 Ω o más.

      El símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura 1 (a) con las conexiones correspondientes a la estructura semiconductora de cuatro capas. Como se indica en la figura 1-a, para que se establezca la conducción directa el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo. Éste, sin embargo, no es un criterio suficiente para encender el dispositivo. También se debe aplicar un pulso de magnitud suficiente a la compuerta para establecer una corriente de encendido en la compuerta, representada simbólicamente por IGT.

Un examen más detallado de la operación básica de un  SCR se realiza mejor dividiendo  la estructura pnpn de cuatro capas de la figura .1-b en dos estructuras de transistor de tres capas como se muestra en la figura 2-a y luego considerando el circuito resultante de la figura 2-b.

En el instante (t = t1) aparecerá un pulso de VG volts en la compuerta del SCR. Las condiciones establecidas en el circuito con esta entrada se muestran en la figura 17.4a. Se seleccionó el potencial VG suficientemente grande para encender a Q2 (Vbe2=VG).  La corriente del colector de Q2 se elevará entonces a un valor suficientemente grande para encender a Q1 (IB1=Ic2)  En cuanto Q1 se enciende, se incrementará, y el resultado será un incremento correspondiente en El incremento de corriente en la base para Q2 incrementará aún más la corriente El resultado neto es un incremento regenerador en la corriente del colector de cada transistor. La resistencia resultante del ánodo al cátodo (Rscr= 1/Ia) es por lo tanto pequeña porque IA es grande, y el resultado es la representación de cortocircuito para el SCR como se indica en la figura 17.4b. La acción regeneradora antes descrita da por resultado SCR con tiempos de encendido típicos de 0.1 ms a 1 ms. Sin embargo, los dispositivos de alta potencia en el intervalo de 100 A a 400 A pueden tener tiempos de encendido de 10 a 25 ms. Además del disparo por medio de la compuerta, los SCR también pueden ser encendidos elevando significativamente la temperatura del dispositivo o elevando el voltaje del ánodo al cátodo al valor de ruptura que se muestra en las características de la figura 17.7. La siguiente pregunta es: ¿Cuán largo es el tiempo de apagado y cómo se logra el apagado? Un SCR no se puede apagar simplemente con eliminar la señal en la compuerta y sólo algunos especiales se pueden apagar aplicando un pulso negativo a la compuerta como se muestra en la figura 17.3a, en el instante t = t3. Los dos métodos generales para apagar un SCR se categorizan como interrupción de la corriente en el ánodo y conmutación forzada.Las dos posibilidades de interrupción de corriente se muestran en la figura 17.5. En la figura 17.5a, IA es cero cuando el interruptor se abre (interrupción en serie), mientras que en la figura 17.5b se establece la misma condición cuando el interruptor se cierra (interrupción en derivación). La conmutación forzada consiste en “forzar” la corriente a que fluya a través del SCR en la dirección opuesta a la conducción en directa. Existe una amplia variedad de circuitos para realizar esta función, varios de los cuales se encuentran en los manuales de los principales fabricantes en esta área. Uno de los tipos más básicos se muestra en la figura 17.6. Como se indica en la figura, el circuito de apagado se compone de un transistor npn, un VB de la batería de cd y un generador de pulsos. Durante la conducción del SCR, el transistor está “apagado”, es decir, IB _ 0 y la impedancia de colector a emisor es muy alta (para todo efecto práctico un circuito abierto). Esta alta impedancia impedirá que los circuitos de apagado afecten la operación del SCR. En condiciones de apagado, se aplica un pulso positivo a la base del transistor y éste se enciende en exceso con una impedancia muy baja de colector a emisor (representación de cortocircuito). El potencial de la batería aparecerá entonces directamente a través del SCR como se muestra en la figura 17.6b, y fuerza a la corriente a que fluya a través de él en la dirección inversa para el apagado. Los tiempos de apagado de los SCR suelen ser de 5 υs a 30 υs.

CARACTERÍSTICAS Y VALORES NOMINALES DEL SCR

    Las características de un SCR se dan en la figura 17.7 para varios valores de la corriente en la compuerta. Las corrientes y voltajes de interés usual se indican en la característica. A continuación se describe brevemente cada uno: 

1.Voltaje de conducción en directa V(BR)F*es el voltaje sobre el cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco denota la letra que se debe agregar, la cual depende de la condición de la terminal de compuerta como sigue:

O = circuito abierto de G a K

S = cortocircuito de G a K

R = resistor de G a K

V = polarización fija 1voltaje2 de G a K.

2. Corriente de mantenimiento IH es el valor de la corriente por debajo de la cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo en directa en las condiciones establecidas.

3. Regiones de bloqueo en directa y en inversa son las regiones correspondientes a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.

4. Voltaje de ruptura en inversa es equivalente a la región Zener o de avalancha del diodo semiconductor fundamental de dos capas.

     De acuerdo a lo anterior se puede decir que las características de SCR de la figura son muy parecidas a las del diodo semiconductor de dos capas básico excepto por la rama horizontal antes de entrar a la región de conducción. Esta región horizontal sobresaliente es la que permite a la compuerta controlar la respuesta del SCR. Para la característica representada por la línea gris oscura en la figura 17.7 (IG=0), VF del voltaje de conducción máximo requerido V(BR)F* antes de que se presente el efecto “colapsante” y de que el SCR pueda entrar a la región de conducción correspondiente al estado de encendido. Si la corriente en la compuerta se incrementa a como se muestra en la misma figura al aplicar un voltaje de polarización a la terminal de compuerta, el valor de VF requerido para la conducción es considerablemente menor. Observe también que IH se reduce con el incremento de IG. Si aumenta el SCR se activará a valores de voltaje muy bajos y las características tenderán a las del diodo de unión p-n básico.

CONSTRUCCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE LAS TERMINALES DEL SCR

     La construcción básica de cuatro capas de un SCR se muestra en la figura 17.9a. La construcción completa de un SCR de alta corriente, libre de fatiga térmica, se muestra en la figura 17.9b. Observe la posición de las terminales de la compuerta, el cátodo y el ánodo. El pedestal actúa como disipador de calor ya que transfiere el calor desarrollado al chasis en el cual está montado el SCR. La construcción de la cápsula e identificación de las terminales de los SCR varía con la aplicación. En la figura 17.10 se indican otras técnicas de construcción de la cápsula y la identificación de las terminales.