MODULO Nº6

MODULO Nº6
TIRISTORES UNIDIRECCIONALES
UNIDAD:
CONVERTIDORES CA - CC
TEMAS:
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Tiristores.
Rectificador Controlado de Silicio.
Parámetros del SCR.
Circuitos de Encendido y Apagado del SCR.
Controlador de Ángulo de Disparo.
OBJETIVOS:
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Explicar el funcionamiento del SCR.
Comprender los sistemas para activar y desactivar un SCR.
Entender la estructura de un control de ángulo de disparo.
DESARROLLO DE TEMAS
1. Tiristores:
Dentro del campo de la electrónica de potencia, los tiristores se posicionan como los
elementos que más impulso han dado a la inserción de la electrónica en el control industrial, las
razones de esto son varias y serán claras al estudiar estos dispositivos.
Para empezar, un tiristor en su forma básica, es un dispositivo semiconductor formado
a partir de 4 capas de semiconductores P y N, tal como se muestra en la siguiente figura:
A
A
D1
P
N
D2
P
N
D3
K
K
Observe que el tiristor básico puede ser representado a través de 3 diodos (uno por
cada unión p-n), además se puede apreciar que el extremo P recibe el nombre de ánodo,
mientras que el extremo N recibe el nombre de cátodo (kathode en inglés).
En base a esta estructura de diodos, junto con la curva característica del tiristor básico
(página siguiente), y utilizando el conocimiento adquirido en el estudio del diodo semiconductor,
se puede entender su funcionamiento considerando los dos tipos de polarización posibles:
•
Polarización Directa: El ánodo es positivo y el cátodo es negativo. Bajo estas
circunstancias, los diodos D1 y D3 tienen polarización directa en cambio que D2 tiene
polarización inversa, es decir, no existe flujo de corriente. Sin embargo si el voltaje
aplicado supera cierto límite conocido como Voltaje de Ruptura Directo (Vrdir), es
Realizado por: Ing. José Trelles
decir, el voltaje de ruptura del diodo D2, entonces la gran cantidad de huecos y
electrones provenientes de los otros dos diodos fluirán a través del diodo D2,
disminuyendo a su vez el voltaje necesario para la conducción a un límite denominado
Voltaje de Funcionamiento (Vfun), que aproximadamente es igual a la suma de los
voltajes de los diodos D1 y D3 (ej: 1.4V si ambos diodos fueran de 0.7V), esto explica la
curva en forma de U horizontal que aparece en polarización directa. Bajo estas
condiciones el tiristor actúa como dos diodos en serie conduciendo, pero si la corriente
desciende por debajo de cierto límite llamado Corriente de Mantenimiento (Imant), el
tiristor dejará de conducir ya que no existen suficientes electrones y huecos para
mantener al diodo D2 conduciendo.
•
Polarización Inversa: El ánodo es negativo y el cátodo es positivo. Bajo estas
condiciones, los diodos D1 y D3 tienen polarización inversa en cambio que D2 no tiene
ninguna polarización, por lo que el tiristor no conduce. Sin embargo si el voltaje
aplicado supera cierto límite conocido como Voltaje de Ruptura Inverso (Vrinv), es
decir, los voltajes de ruptura combinados de los diodos D1 y D3, el tiristor conducirá,
pero a diferencia del caso anterior, la gran cantidad de voltaje necesario producirá la
destrucción permanente del tiristor.
A manera de conclusión se puede decir que, las condiciones para que el tiristor básico
conduzca y se mantenga en este estado son:
•
•
•
Estar en polarización directa.
El voltaje ánodo cátodo debe superar el voltaje de ruptura directo a fin de disparar al
tiristor.
Una vez en conducción, el voltaje ánodo cátodo se reduce al de dos diodos en serie, y
seguirá en este estado, mientras la corriente que lo atraviese no pase por debajo de la
corriente de mantenimiento.
Basándose en el tiristor básico, se pueden obtener una serie de dispositivos de
potencia, todos ellos muy utilizados a nivel industrial, siendo los más populares los siguientes:
•
•
•
•
•
•
SCR o rectificador controlado de silicio.
LASCR o SCR activado por luz
GTO o tiristor con desactivación por compuerta
DIAC o tiristor básico bidireccional
TRIAC o SCR bidireccional
RCT o tiristor de conducción inversa
Algunos de estos dispositivos se tratarán en este y otros módulos, dejando los demás
para cursos avanzados de electrónica de potencia.
Realizado por: Ing. José Trelles
2. Rectificador Controlado de Silicio:
Un rectificador controlador de silicio, más conocido como SCR por sus siglas en inglés,
incorpora un tercer terminal al tiristor básico, este terminal recibe el nombre de compuerta o
GATE, tal como se muestra a continuación donde también se aprecia el símbolo de este
dispositivo:
A
A
P
N
G
P
G
N
K
K
La función de este tercer terminal, es la facilitar el disparo del tiristor disminuyendo el
voltaje de ruptura directo, tal como se observa en la curva característica del SCR:
Según esta curva, para una corriente de compuerta 0, el SCR funciona igual a un
tiristor básico, sin embargo, si se aplica un pulso de voltaje entre la compuerta (+) y el cátodo
(-) y se establece corriente suficiente, el voltaje de ruptura directo disminuye drásticamente.
La razón de esto es que, la compuerta esta ubicada muy cerca del diodo D2 del tiristor
básico, y al aplicar una corriente en este punto, se introduce más electrones libres
disminuyendo la barrera de dicho diodo, y por ende facilitando el proceso de conducción.
El nuevo valor del voltaje de ruptura directo, depende de la cantidad de corriente de
compuerta que se introduzca, sin embargo, se debe tener cuidado de no exceder cierto límite
conocido como Intensidad de Compuerta Máximo (IGMAX), de lo contrario causaría la
destrucción del diodo D2, quedando inservible el SCR.
Realizado por: Ing. José Trelles
3. Parámetros del SCR:
De acuerdo a lo estudiado, los parámetros más importantes a la hora de adquirir un
SCR son:
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Corriente Directa Máxima (ISCR): Máxima corriente que puede soportar el SCR una
vez en estado de conducción. Son comunes valores desde 1A hasta 1.5KA.
Voltaje de Ruptura Directo (VRDIR): Aunque un SCR tiene dos voltajes de ruptura
solo se menciona aquel de menor valor y que puede disparar al SCR accidentalmente.
Son comunes valores desde 50V hasta 3KV.
Voltaje de Funcionamiento (VFUN): Son comunes valores desde 1V hasta 4V.
Intensidad de mantenimiento (IMAN): Su rango de valores varía entre 2mA hasta
100mA, mientras mayor corriente directa maneje el SCR, mayor es la corriente mínima
para que se mantenga en conducción.
Intensidad máxima de compuerta (IGMAX): Su rango de valores varía entre 200uA
hasta 200mA, mientras mayor corriente directa maneje el SCR, mayor es la corriente
necesaria para dispararlo.
Tiempo de Disparo (TG): Una vez disparado el SCR, el voltaje entre compuerta y
cátodo debe ser removido, caso contrario se puede dañar la compuerta. La duración del
pulso varía entre 3us hasta 100us.
Tipo de Empaque: Código que define el empaque utilizado por el SCR. A continuación
se muestran algunos empaques populares.
K
G
K
G
A
G
Hasta 1A
A K
Hasta 5A
Hasta 200A
K
A
A
G
Hasta 30A
K
K
A
Hasta 700A
G
4. Circuitos de Encendido y Apagado del SCR:
Desde el punto de vista del lado de potencia del SCR (entre ánodo y cátodo), existen
básicamente dos maneras de producir el disparo a través de la compuerta: sin fuente
independiente y con fuente independiente, tal como se observa a continuación:
Realizado por: Ing. José Trelles
En ambos casos, existe una tensión entre compuerta y cátodo, más una resistencia
limitadora a fin de no sobrepasar la máxima corriente de disparo.
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•
Sin fuente independiente: Utiliza parte de la tensión del circuito de potencia para
producir un pulso de corriente en la compuerta. Es el más fácil de implementar, sin
embargo no es muy apropiado cuando la tensión del circuito de potencia es alterna, bajo
estas condiciones, la tensión de disparo puede variar, lo que reduce la confiabilidad del
disparo.
Con fuente independiente: Utiliza un sistema externo para generar la tensión aplicada
entre la compuerta y el cátodo. Su implementación requiere de varios componentes
adicionales y es de difícil diseño, sin embargo la tensión generada es fija y conocida,
incrementando la efectividad del disparo
A continuación se muestran esquemas de disparo basado en estos métodos:
El primer circuito utiliza un OPTO TRANSISTOR, el cual luce externamente como un
integrado de 6 pines, que en el interior posee un diodo infrarrojo y un fototransistor.
El segundo circuito utiliza un dispositivo llamado OPTO SCR, internamente posee un
diodo infrarrojo y un SCR de compuerta activada por luz. La ventaja del OPTO SCR con
respecto al OPTO TRANSISTOR, es que puede soportar hasta 400V cuando está abierto en
cambio el OPTO TRANSISTOR, solo resiste hasta 50V, por lo que se utiliza en aplicaciones de
bajo voltaje.
El tercer circuito utiliza un transformador que recibe en el primario, pulsos de corriente
provenientes de un transistor, lo cual produce en el secundario una tensión que es rectificada y
luego utilizada como disparo del SCR.
Como ya se había analizado anteriormente, una vez que el SCR entra en conducción,
solo puede ser desactivado si la corriente directa entre ánodo y cátodo cae por debajo de la
corriente de mantenimiento. Para lograr esto existen dos métodos conocidos como:
conmutación normal y conmutación forzada, mismos que se analizan a continuación:
Realizado por: Ing. José Trelles
•
•
Conmutación Normal: Este método solo se utiliza en sistemas alimentados por
corriente alterna, ya que aprovecha los puntos de cruce por cero de la señal senoidal, es
decir, el SCR solo puede conducir máximo un semiciclo luego del cual se apaga debido
a la corriente directa desciende a cero.
Conmutación Forzada: Este método se utiliza tanto en sistemas CA como CC, consiste
en un sistema externo, que aplica un pulso de tensión inversa entre el ánodo y el
cátodo, lo cual reduce la corriente directa a cero por un corto intervalo de tiempo
suficiente para desactivar al SCR.
A continuación se muestra una pequeña aplicación del SCR, utilizando las técnicas de
encendido y apagado mostradas hasta el momento:
5. Controlador de Ángulo de Disparo:
Una de las aplicaciones más populares de los SCR, es en el diseño de rectificadores
controlados, tal como se verá en los módulos siguientes. Para este motivo es necesario un
sistema especial conocido como Control de Ángulo de Disparo, cuyo diagrama de bloques se
muestra a continuación:
Realizado por: Ing. José Trelles
Básicamente la función de este sistema, es la de establecer con precisión el momento
de disparo de los SCR, y ya que cuando se habla de rectificadores, se habla de señales
senoidales cuyos ciclos positivos y negativos pueden ser visto como ángulos que van desde 0º
a 360º, el sistema recibe el nombre de control de ángulo de disparo.
Los bloques principales de este sistema son:
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Cruce por cero: Circuito que detecta los instantes en que la onda senoidal pasa de
positivo a negativo y viceversa.
Selector de Ángulo: Circuito analógico o digital que establece el ángulo de disparo.
Lógica de Disparo: Controlador analógico o digital que envía la orden de disparo
basado en la información del cruce por cero y el ángulo deseado.
Circuitos de Disparo: Circuitos de activación como los ya estudiados que activan a los
SCR. Actúan como interfaces entre la parte de control y la de potencia.
Rectificador con SCR: Rectificador fijo modificado para una rectificación ajustable.
Realizado por: Ing. José Trelles
EJERCICIOS
En los siguientes ejercicios indica las magnitudes de resistencias, voltajes e
intensidades con sus respectivas unidades:
1. Se tiene un SCR en estado de conducción con Vfun = 1.5V conectado en serie a una
resistencia de 20Ω y a una fuente de 50V. Calcular la potencia que disipa el SCR.
2. Se tiene un SCR en estado de conducción que es atravesado por una corriente de 4.5A. Si
la potencia que disipa es de 8.68W. Calcular su voltaje de funcionamiento.
3. Se tiene un SCR que requiere una corriente de disparo de 150uA. Si utiliza disparo con
fuente independiente de 5V y el voltaje que se queda entre la compuerta y el cátodo es de
0.8V. Calcular la resistencia limitadora de compuerta.
4. Se tiene un SCR en estado de conducción con intensidad de mantenimiento Imant =
200mA, que es atravesado por una corriente directa de 1.3A, y que utiliza un sistema de
conmutación forzada. Calcular la corriente mínima que el circuito de apagado debe
proveer a fin de desactivar al SCR.
Realizado por: Ing. José Trelles