Curvas de operación del SCR. Electrónica industrial. Guía 1

Electrónica industrial. Guía 1
Facultad: ingeniería
Escuela: Ingeniería Electrónica
Asignatura: Electrónica industrial
Contenido
Curvas de operación del SCR.
Objetivos Específicos





Determinar las características físicas y eléctricas de un tiristor.
Conectar el SCR para que conduzca en forma directa.
Determinar la corriente de mantenimiento.
Determinar la tensión y corriente de disparo.
Medir el ángulo de disparo en los circuitos de control de fase.
Material y Equipo
Cantidad
1
1
1
1
1
Descripción
Tablero maestro
Tarjeta de circuito impreso EB-112
Multímetro
Osciloscopio
Generador de funciones
Tabla 1.1. Materiales y equipo.
Introduccion Teorica
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores usados para controlar la cantidad de potencia que
entrega a cargas eléctricas. El rectificador controlado de silicio (SCR) es un tiristor. El SCR consiste en cuatro
capas p y n alternadas, como se muestra en la Figura 1.1 a). En la Figura 1.1 b) se muestra en el símbolo del
SCR.
Figura 1.1. Estructura interna y símbolo del SCR
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En la Figura 1.2 a), el SCR se conecta a un circuito de prueba que daría polarización directa a un diodo de
juntura P-N común. El SCR es diferente y no conducirá. El SCR ideal actúa como el circuito abierto de la Figura
1.2 b) y está en el estado OFF. En la Figura 1.3 a) se ha agregado un circuito de disparo para suministrar una
pequeña corriente de compuerta para poner el SCR en ON, actúa como un diodo de polarización directa. Si se
lo considera como ideal, actúa como el cortocircuito de la Figura 1.3 b). Es necesaria la corriente de compuerta
para poner al SCR en ON.
Figura 1.2. Polarización del SCR.
Figura 1.3. Circuito de disparo y de operación para el SCR.
En la Figura 1.4 a), el conmutador del circuito de
disparo que suministra la corriente de compuerta se
abre y la corriente de compuerta cae a cero
amperios.
El SCR no se apaga. La corriente de compuerta es
necesaria para encender el SCR, pero no es
condición necesaria para mantenerlo conduciendo.
Para poner el SCR en OFF, la fuente de tensión en
Vs1 debe estar apagada como se muestra en la
Figura 1.4 b). El SCR se pone en OFF al eliminar la
fuente de tensión que suministra la potencia a la
carga (R1). Si se reduce gradualmente el valor de
tensión Vs1, la corriente provista a la carga
decrecerá. Cuando la corriente disminuye por
debajo de un valor denominado corriente de
mantenimiento, el SCR se pondrá en OFF aún
cuando la tensión Vs1 no sea cero.
Figura 1.4. Circuitos de disparo para el SCR.
Curva característica V – I del SCR.
En la Figura 1.5 se muestra la curva característica del SCR. Cuando el SCR tiene polarización inversa, actúa
como un diodo común, con su pequeña cantidad normal de corriente de fuga (también llamada “corriente de
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escape” o “pérdida”). Cuando se aumenta la tensión inversa, también llegara a la ruptura, como un diodo.
También actúa como un diodo con polarización directa entre los puntos D y E. Para valores altos de corriente de
compuerta, tales como el punto C de la Figura 1.5, el SCR se pondrá en ON (o disparará) al valor bajo de la
tensión VB de ánodo a cátodo a lo largo del eje horizontal. Cuando disminuye la corriente de compuerta, tal
como el punto B de la Figura 1.5, la tensión V B de ánodo a cátodo tendrá un valor mucho más alto antes que el
SCR se ponga en ON.
Figura 1.5. Curva característica V – I del SCR.
Si la corriente de compuerta es cero, el SCR aún se pondrá ON sí la tensión se aumenta a la tensión directa de
transición conductiva (o tensión de Irrupción) en V A para poner disparar un SCR se requiere una combinación
de corriente de compuerta y de corriente de ánodo a cátodo.
Operación CA.
Los SCR se usan a menudo en circuitos de CA, para controlar la potencia entregada a las cargas. En la Figura
1.6 la fuente de alimentación V AC es de 120 VAC. El circuito RC produce un corrimiento de fase entre la tensión
de entrada VAC y la tensión entre los bornes del condensador. La tensión entre los bornes del condensador
provee la corriente de compuerta. Dado que el SCR está encendido por una combinación de tensión de entrada
y corriente de compuerta, el tiempo de disparo puede ser controlado ajustando la resistencia para cambiar la
relación de fase de las dos tensiones. La tensión en el condensador estará atrasada con respecto a la tensión
de entrada VAC.
Por medio de este método puede cambiarse el ángulo de disparo sobre una gama de 180º hasta 360º. El diodo
se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el semiciclo negativo. En la Figura 1.6 c), la resistencia
se ajusta de modo que el SCR pase a ON entre 0 y 90º. En este diagrama el ángulo de disparo es de 40º dado
que el SCR está en ON durante ésta parte del primer semiciclo, la corriente circulará a través de la lámpara y
ésta se iluminará.
En la Figura 1.6 d), el SCR pasa a ON entre 90º y 180º a un ángulo de disparo de 150º. Debido a que la tensión
se aplica al SCR durante una pequeña parte del ciclo, la lámpara se pone débil. El ajuste de la resistencia para
controlar el ángulo de fase controla a su vez la cantidad de potencia entregada a la lámpara.
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Figura 1.6. Control de fase del ángulo de disparo.
Procedimiento
Parte I. Características de conducción directa.
1. Introduzca la tarjeta EB-112 al módulo PU-2200 por medio de las guías hasta el conector.
2. Encienda el tablero maestro.
3. Busque el circuito de la Figura 1.7 en la tarjeta EB-112.
Figura 1.7. Circuito del SCR.
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4. Ajuste la fuente de poder PS-2 a 0V.
Importante: V2 es la salida invertida de la fuente de poder PS-2.
5. Aumente la tensión de la fuente de poder PS-1 hasta obtener una lectura V = 11 Voltios en el voltímetro.
6. Mida la corriente anódica IF.
IF = __________ µA.
7. Implemente el circuito de medición de la Figura 1.8.
Figura 1.8. Circuito para medir la característica de conducción.
8. Ponga la fuente de poder PS-1 en su valor mínimo. Ajuste la tensión V 2 a su valor máximo.
9. Aumente la tensión de la fuente de poder PS-1 para obtener una corriente máxima I F = 100mA. Mida la
tensión VF del SCR y anote su valor en la Tabla 1.2.
10. Reduzca la corriente anódica a 75 mA variando la fuente de poder PS-1 y anote la tensión del SCR en la
Tabla 1.2.
11. Continúe reduciendo la corriente del SCR a los valores de la Tabla 1.2 y anote las tensiones V F
correspondientes.
¿Ha cambiado mucho VF? ¿Por qué razón?.
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________
IF (mA)
VF (V)
100
75
50
25
10
5
Tabla 1.2
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Parte II. Corriente de mantenimiento: I H.
1. Use el circuito de la Figura 1.9 y ajuste la tensión de PS-1 en 11V y V 2 en 0V. Dispare el SCR variando V2 al
valor máximo.
2. Disminuya el valor de PS-2 (V2) a 0V.
3. Ajuste el potenciómetro P1 a distintos valores para disminuir la corriente.
4. Anote el valor de la corriente del SCR en la cual deja de conducir.
5. Repita el proceso varias veces para que la lectura sea correcta. Anote el valor obtenido de corriente de
mantenimiento.
IH = _______________ mA.
Nota: cada SCR posee una corriente de mantenimiento.
Parte III. Tensión y corriente de disparo: VGT e IGT.
1. Con el mismo circuito de la Figura 1.9 se realizara esta parte, asegúrese de que todos los elementos estén
debidamente conectados.
2. Conecte el amperímetro a la compuerta. Ponga a P 1 en su valor mínimo, a PS- 1 en 11V y a V2 en 0V.
3. Compruebe que el SCR no esté conduciendo (que I GT sea O mA).
4. Pregunta: Si el SCR no conduce, ¿qué valor tiene V F?.
Figura 1.9. Medición de IH,VGT e IGT.
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5. Aumente lentamente el valor de V2 y anote los valores de VGT e IGT en el instante de transición a la
conducción. Anote los valores en la Tabla 1.3. Repita la medición varias veces para obtener valores precisos.
VGT (V)
IGT (mA)
Tabla 1.3
Parte IV. Control de fase.
1. Arme el circuito de control de fase de Onda completa que se muestra en la Figura 1.10.
Figura 1.10. Control de fase por carga de capacitor.
2. Conecte una onda senoidal de 60 Hertz a la entrada "SG in” y ajuste la amplitud al valor mayor que no cause
distorsión a la forma de onda.
3. Estabilice la onda en la pantalla del osciloscopio y obtenga una escala para las mediciones del ángulo de
disparo.
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4. Varíe la posición de RV2 de un extremo al otro. Examine y registre el rango de variación del ángulo de
disparo:
Mínima:
grados.
_______________
Máxima:
grados.
_______________
5. Ajuste RV2 para que el
ángulo de disparo sea de 60
grados.
Dibuje la forma de onda en el
ánodo
y en el cátodo.
6. Mida y anote la tensión
efectiva en la carga:
VL1 = __________ V.
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7. Repita la medición anterior para ángulos de: 90º, 125º, 150º y 180º.
Para 90º. VL1 = __________ Voltios.
Para 125º. VL1 = __________ Voltios.
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Para 150º. VL1 = __________ Voltios.
Para 180º. VL1 = __________ Voltios.
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Análisis de resultados
1. Presente las formas de onda en papel milimétrico (o en las plantillas de la guía), correspondientes a la
Parte IV y explíquelas separadamente.
2. Explique detalladamente cada experimento realizado en la práctica.
3. ¿Cuál es la función del capacitor en la Figura 1.10?.
4. En referencia a los datos obtenidos de la tabla 1.3 ¿Qué le sucederá a VF en el instante de transición?.
Investigacion complementaria
1) Presente los datos técnicos del SCR utilizado.
2) Presente en circuito de disparo de SCR por medio de una red RC, así como las ecuaciones que
relaciona corrientes y tensiones en los terminales del SCR en función del tiempo.
3) Presente la simulación de la Figura 1.10 para ángulos de disparo de 75º, 120º y 135º (Circuit Maker o
SPICE).
Bibliografía
o Savant, J.C. Diseño Electrónico. Adisson Wesley 2ª. Edición México 1992.
o
o
DEGEM Systems. “Curso EB-112: Electrónica Industrial. Inter Training Systems-1998.
Boylestad, Robert. . “Electrónica: Teoría de Circuitos. Prentice –Hall. 2ª. Edición México 1997.
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Facultad: ingeniería
Escuela: Ingeniería Electrónica
Asignatura: Electrónica industrial
Guía 1. El SCR.
Alumno:
Puesto No:
Docente:
Fecha:
GL:
EVALUACION
%
CONOCIMIEN
TO (1)
20%
APLICACIÓN
DEL CONOCIMIENTO
20%
20%
1-4
5-7
Conocimiento deficiente de los
fundamentos teóricos durante
la evaluación previa de la
práctica.
Conocimiento y explicación
incompleta de los fundamentos
teóricos
Conocimiento completo
explicación clara de
fundamentos teóricos
Un porcentaje de mediciones,
entre el 0% y 45% son
satisfactorias en términos de
exactitud
y
precisión
esperadas.(2)
La información brindada en los
reportes, tareas e investigación
complementaria
es
insuficiente.
Un porcentaje de mediciones,
entre el 45% y 75% son
satisfactorias en términos de
exactitud y precisión esperadas.
(2)
La información brindada en los
reportes, tareas e investigación
complementaria
contiene
menos elementos
de
lo
solicitado.
Utiliza el osciloscopio con
dificultad, eventualmente no
ajusta
los
controles
adecuadamente
al
primer
intento.
Se ha tardado un tiempo poco
mayor al esperado para realizar
la práctica.
Su actitud
es parcialmente
proactiva para realizar las
mediciones durante la práctica.
Un porcentaje de mediciones,
entre el 75% y 100% son
satisfactorias en términos de
exactitud y precisión esperadas.
(2)
La información brindada en los
reportes, tareas e investigación
complementaria es suficiente.
No tiene la habilidad
utilizar el osciloscopio.
de
20%
ACTITUD
10%
10%
Se ha tardado
un tiempo
mucho mayor al esperado para
realizar la práctica.
No tiene actitud proactiva para
realizar las mediciones durante
la práctica.
8-10
Utiliza
el
adecuadamente.
Nota
y
los
osciloscopio
El tiempo de realización de la
práctica es mejor que el
esperado.
Muestra claramente una actitud
proactiva para realizar las
mediciones durante la práctica.
TOTAL
100%
(1) Relativos a parámetros eléctricos de disparo, corriente de mantenimiento y otras características de la función de transferencia del SCR.
(2) Para los valores de corriente, ángulos de disparo y oscilogramas solicitados.
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