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UTN REG. SANTA FE ELECTRONICA II ING. ELECTRICA 3-5 mtodos y
circuito disparo tiristores.
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Apunte de ctedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli 1
CIRCUITOS DE DISPARO DE TIRISTORES PARA RECTIFICADORES
CONTROLADOS
El circuito de disparo o excitacin de compuerta de los
tiristores, es una parte integral del convertidor de potencia. La
salida de un convertidor, que depende de la forma en que el
circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutacin
(tiristores), es una funcin directa del proceso de cmo se
desarrolla la conmutacin. Podemos decir entonces que los circuitos
de disparo, son elementos claves para obtener la salida deseada y
cumplir con los objetivos del sistema de control, de cualquier
convertidor de energa elctrica. El diseo de un circuito excitador,
requiere el conocimiento de las caractersticas elctricas de
compuerta del tiristor especfico, que se va a utilizar en el
circuito principal de conmutacin. Para convertidores, donde los
requisitos del control no son exigentes, puede resultar conveniente
disearlo con circuitos discretos. En aquellos convertidores donde
se necesita la activacin de compuerta con control de avance, alta
velocidad, alta eficiencia y que adems sean compactos, los
circuitos integrados para activacin de compuerta que se disponen
comercialmente, son ms conveniente. Las partes componentes de un
circuito de disparo para tiristores usados en los rectificadores
controlados por fase, a frecuencia industrial, son los siguientes:
El circuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar
el disparo, el circuito conformador del pulso, el circuito
amplificador del pulso (opcional), el circuito aislador y
finalmente el circuito de proteccin de la compuerta del tiristor.
El diagrama en bloques siguiente, nos da una idea gral, de la Inter
relacin de estos componentes:
Tensin CA de la red elctrica
Sincronizador (Detector de
cruce por cero)
Circuito con base de tiempo para el retardo del ngulo de
disparo
Entrada Seal de control
Generacin y amplificacin del pulso de disparo
Aislador del circuito de
disparo con los circuitos de
conmutacin
Proteccin de la compuerta
del tiristor
SCR1 SCR2
.
.
SCRn
Carga
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Apunte de ctedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli 2
Circuito sincronizador: Este circuito, se encarga de iniciar la
base de tiempo en sincronismo con la frecuencia de red, de manera
tal de retrasar el mismo ngulo (respecto al cruce por cero de la
tensin de red), el pulso de disparo, en todos los semiciclos.
Entrada seal de control: Esta seal es la que determina el
retraso del ngulo de disparo, seal generada en forma manual o a
travs de un sistema realimentado. Para este ultimo caso, la seal se
genera por la interaccin de la seal de referencia, la seal
realimentada y el algoritmo de control (proporcional,
proporcional+integrador, etc.).
Circuito base de tiempo: En los circuitos analgicos, la base de
tiempo se genera por medio de un circuito tipo RC, o sea a travs de
la carga de un condensador, con una constante de tiempo =CR., hasta
una tensin que genera un pulso de disparo. En los sistemas
programables, la base de tiempo se genera por programacin o por
medio de un temporizador interno que se carga tambin por
programacin.
Generacin de los pulsos de disparo: Para la generacin de los
pulsos, se disponen de muchas variantes de circuitos, con aplicacin
de transistores bipolares o mediante semiconductores especficos,
que generan, cortos pulsos de disparo.
Circuito de aislamiento entre el generador de pulsos y el
circuito convertidor: fundamentalmente se utilizan dos tcnicas. Una
es la de utilizar un transformador aislador de pulsos y la otra un
dispositivo semiconductor foto controlado de silicio, tambin
llamado opto acoplador. Otra tcnica utilizada es a travs de las
fibras pticas con emisor en el circuito de disparo y receptor en el
circuito de compuerta.
Proteccin de la compuerta: Se utilizan circuitos de proteccin
contra disparos por tensiones espurias. Mas adelante,
desarrollaremos con mas amplitud, estos elementos que componen el
circuito de disparo.
SEMICONDUCTORES QUE GENERAN PULSOS DE DISPARO
Existen una gran variedad de dispositivos semiconductores que
pueden utilizarse para generar pulsos de disparo. Entre ellos
tenemos aquellos que actan como transistores y otros lo hacen como
tiristores. Se los utiliza para generar pulsos de disparo en
circuitos de relajacin (osciladores) o como disparadores por nivel
de tensin. Transistores disparadores:
UJT : Transistor unijuntura. CUJT: Transistor unijuntura
complementario DIAC: Disparador bidirecional tipo npn.
Tiristores disparadores:
PUT: Transistor unijuntura programable. LAPUT: Transistor
unijuntura programable activado por luz. DIODO SCHOCKLEY: Diodo
tiristor. SUS : Conmutador unilateral de silicio DIAC: Diodo
tiristor bidireccional
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Apunte de ctedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli 3
SBS: Conmutador bilateral de silicio. ST4 : Disparador asimtrico
de GE. Lmpara de Neon (poca aplicacin o muy limitadas)
Analizaremos solamente el funcionamiento y aplicacin de tres de
estos dispositivos, el UJT, el PUT y el DIAC, que son los mas
conocidos en lo que se refiere a sus aplicaciones.
Transistor unijuntura (UJT)
Es un dispositivo semiconductor compuesto por tres terminales;
en dos terminales, denominados base 1(B1) y base2 (B2), se sita una
resistencia semiconductora (tipo n) denominada resistencia
interbase RBB, cuyo valor varia desde 4,7 a 10 K. En un punto
determinado de esta resistencia, se difunde una zona p que forma
una juntura didica que se conecta al tercer terminal, denominado
emisor (E). El grafico muestra la caracterstica V-I del emisor
respecto a la base1 (B1), el smbolo del UJT y su circuito
equivalente:
La polarizacion se realiza aplicando una tensin positiva a la
base B2 (VBB5 a 30 volt) La mxima tensin aplicada, esta limitada
por la disipacin del UJT. ___________
VBB = RBB. VDmax. La corriente IB2 vale:
IB2 = VBB / RBB
IE
IV
IP
IEBO
VV VK VP VE
Emisor Base 2
Base 1 Smbolo
Circuito elctrico equivalente
Caractersticas tensin corriente del terminal Emisor-Base 1
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Apunte de ctedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli 4
El UJT se dispara cuando la juntura pn se polariza directamente.
Si la tensin del emisor (VE) es menor a (VC), circula por la
juntura una corriente inversa denominada IEBO. Cuando la tensin del
emisor supera a la tensin VC, la juntura se polariza directamente
la corriente del emisor se hace positiva , inyectando portadores
minoritarios en la porcin de la resistencia RBB, comprendida entre
el diodo y la base 1(B1), haciendo que este tramo, aumente
drsticamente su conductividad y disminuya su resistencia elctrica.
En esta situacin, la tensin del emisor disminuye cuando la
corriente del emisor aumenta (zona de resistencia negativa), dado
que la tensin VC= VBB .R1 (R1+R2) disminuye al disminuir R1. El la
grafica V-I este fenmeno comienza en el punto VP. IP.. La corriente
queda limitada solamente por la resistencia R1 y la de la fuente de
tensin que polariza al emisor. ( se produce un pulso de corriente
de magnitud). La tensin VE, para producir el disparo o sea VP,
vale:
VP = (R1/R1+R2). VBB + VD. = .VBB +VD
R1/ (R1+R2) se le denomina relacin intrnseca y tiene un valor en
particular para cada tipo de UJT. La relacin intrnseca toma un
valor entre 0,45 y 0,82. La VBB, se denomina tensin nter bsica y es
la tensin que se aplica entre las bases B1 y B2. La VD es la tensin
umbral de polarizacion directa de la juntura PN, cuyo valor es
aproximadamente de 0,56 volt a 25 C y disminuye en aprox. 2 mv / C.
Cuando IE aumenta, VE disminuye (zona de caracterstica negativa)
hasta un valor dado por IV, VV, donde nuevamente comienza aumentar.
Si al dispositivo, lo hacemos trabajar por debajo de los valores de
IV y VV, el valor de R1 retoma su valor original. Si la tensin de
emisor se mantiene constante y mayor que VV, R1 se mantiene en su
valor bajo y no se reestablece. En la aplicacin, la tensin de
disparo VE= VP, se debe mantener constante; pero como varia con la
temperatura, debido la valor de VD, resulta entonces necesario
compensar esta variacin. El procedimiento es colocar una
resistencia de carbn en la base B2 que tiene un coeficiente de
variacin positivo, para contrarrestar el coeficiente negativo de la
juntura pn. La figura muestra el circuito:
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El valor de RB2 se calcula de la siguiente forma:
Vp = VD + . VBB. (1)
VBB= Vcc RB2. IB2 (2)
IB2 = Vcc / (RBB + RB2) (3)
Reemplazando (3) en (2) y luego en (1) obtenemos:
Vp = VD + . VCC - .Vcc. RB2 / (RBB + RB2) como RBB >>
RB2:
Vp VD + . VCC - .Vcc . RB2 / RBB
Como el coeficiente de temperatura de RBB es de + 0,008%/C y el
de RB2 es de +0,004%/C, entonces tanto VD como el termino .Vcc .
RB2 / RBB sufren las mismas variaciones con la temperatura. Si
hacemos:
VD = .Vcc. RB2 / RBB la formula anterior nos queda:
VDp= . VCC
El valor de RB2 para que se cumpla lo anterior, lo obtenemos
despejando de la igualdad anterior como:
RB2 = V D. RBB / (VCC. ) Si en la base B1 se conecta una
resistencia RB1 entonces el valor de RB2 se lo debe incrementar en
(1-.
RB1) / quedando:
RB2 = V D. RBB / (VCC. ) + (1-. RB1) /
Oscilador de relajacin con UJT
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El transistor unijuntura, se lo utiliza como oscilador de
relajacin, para generar pulsos de disparo. El circuito trabaja de
la siguiente forma. El capacitor, conectado entre el emisor y la
base1 se carga exponencialmente con una constante de carga (base de
tiempo) dado por el producto de CE. RE. Cuando se llega al valor de
la tensin de disparo VP. el capacitor se descarga a travs del
emisor, rpidamente, dado por la constante de descarga de CE.( R1.+
RB1. ). Cuando se llega al valor VE.= VV. , el emisor se bloquea,
parando la descarga del capacitor y nuevamente comenzando el ciclo
de carga. La grafica muestra la forma de onda en el capacitor (
VE.= VC. ) y la seal pulsante en los extremos de RB1
Para calcular el periodo de los pulsos, partimos de la tension
de carga del condensador:
VC = Vcc. (1 e-t/R.C) Para nuestro caso el tiempo T1 lo
calculamos para Vcc = Vcc VV y VC.= VP.
VC = (Vcc_VV). (1 e-T1/RE.CE)
Despejando el tiempo T1 obtenemos:
T1 = RE .CE . ln ( VCC.- VV ) / (VCC.- VP ).
El tiempo T2 de descarga es difcil de calcular por la variacin
que sufre la resistencia de descarga a travs de R1 y RB1. Para el
caso de RB1 = 0 el valor de T2 vale empricamente:
T2 (2+5.C). VEsat.
Donde VEsat es el valor dado en las caractersticas del UJT para
IE = 50 mA. No obstante en las aplicaciones para disparo de
tiristores, resulta T1 >>T2 por lo cual el periodo lo
calculamos como:
T = T1+ T2 T1
La expresin para el periodo se puede simplificar si hacemos VV
0
T = RE .CE . ln VCC. / (VCC.- VP ).
Por otra parte como Vp = .Vcc reemplazando:
T= RE .CE . ln VCC / (VCC.- .Vcc ). = RE .CE . ln 1 / (1-)
Para un transistor unijuntura para disparo de tiristores como el
2N2646, el valor de la relacin intrnseca vale 0,63, entonces
reemplazando tenemos:
T = RE .CE.
Las condiciones de diseo para un circuito de disparo de
tiristores con UJT, no son muy rigurosas. La resistencia RB1 se
limita a un valor inferior a 100 . En algunas aplicaciones su valor
podr valer entre 2000 y 3000 . Si el pulso de disparo se toma de
los extremos de RB1, este tendr que tener un valor tal que la
tensin continua
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producida por la corriente interbase, no tome un valor superior
a la de disparo del tiristor.
VGtmax > RB1 . Vcc / ( RBB+ RB1 +RB2.)
El resistor RE de tener un valor comprendido entre 3 K y 3 M,
para permitir que el circuito oscile. Si es muy grande, es posible
que no llegue a la tensin de disparo. Si es muy chico, el UJT se
dispara pero luego entra en la zona de resistencia positiva y no
vuelve a bloquearse.
Sincronizacin de los osciladores de relajacin
El periodo de oscilacin T de estos osciladores no es muy
preciso, por lo que resulta conveniente sincronizarlos con una
frecuencia de mayor precision. Existen varios mtodos por ejemplo
ingresando pulsos de amplitud negativa en B2 para reducir la tensin
interbase, reduciendo as la tensin de disparo y obligar al UJT a
dispararse.
Cuando se utiliza el transistor unijuntura para generar pulsos
de disparo para tiristores para el control de potencia elctrica en
sistemas elctricos de frecuencia industrial (50 o 60 Hz) se realiza
de diversas formas el sincronismo con la frecuencia de la red. En
todos ellos se aprovecha el cruce por cero de la tensin. Una forma
es alimentar el oscilador de relajacin con UJT con una tensin
rectificada de onda completa y estabilizada con un diodo Zener. De
esta forma cuando la tensin pase por cero, todo el circuito
prcticamente esta con valor cero, el capacitor CE esta descargado y
de esta forma en cada semiciclo la base de tiempo genera el pulso
de disparo en el mismo periodo de tiempo T o de otra forma podr
disparar al tiristor con el mismo retraso de tiempo o ngulo, con
respecto al cruce por cero de la tensin de red. El diodo zener
cumple la funcin de estabilizar la tensin de alimentacin del
generador de pulsos, permitiendo en cada semiciclo generar el
pulso, con la misma tensin de disparo Vp.
Entrada pulsos de sincronismo
Salida de pulsos sincronizados
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En el siguiente circuito, se muestra el circuito de
sincronizacin junto al generador de pulsos:
Control manual de potencia elctrica para un convertidor CA a CC
(rectificador controlado)
Este sistema de control, si bien es obsoleto tecnolgicamente
hablando, tiene importancia del punto de vista conceptual dado que
nos da las ideas fundamentales del control por fase y la
importancia de la sincronizacin con la frecuencia de red. En el
circuito la sincronizacin se logra rectificando la tensin alterna
en los extremos del Triac y alimentando el circuito de disparo. En
este caso se utiliza un transformador de pulsos para aislar el
circuito de disparo (alimentado con tensin de +24 Volt) respecto a
la tensin de alimentacin de la carga (220 V ca) La potencia en la
carga se controla retrasando el disparo del triac respecto al cruce
por cero de la tensin de alimentacin. Para ello se modifica la base
tiempo que carga al capacitor CE, por medio de un potencimetro RE.
Para este circuito si quisiramos adaptarlo para un sistema de
control automtico, el potencimetro RE, debera reemplazarse por un
transistor que controle la corriente de carga del capacitor CE, en
funcin de la seal de control
Tensin de alimentacin para sincronizacin
Pulso de disparo
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En la prxima figura se grafican las formas de ondas del
circuito, as como la variacin de la potencia en la carga en funcin
del porcentaje del valor de RE.
Se puede apreciar que no tenemos linealidad entre el valor de la
resistencia RE y el valor de la potencia controlada sobre la
carga.
Vtriac
Vs Vz Vp
VE
Vdisp
%VL 100
80
60
40
20
0 25 50 75 100 %RE
t
t
t
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Control pedestal
Este mtodo de control, consiste en cargar en forma rpida (cte RC
bajo) al capacitor exponencialmente hasta la tensin de disparo Vp.
De esta forma, la tensin de disparo queda determinada por el
divisor de voltaje resistivo de potencimetro, como muestra el
circuito:
En la grafica se observa que tenemos una variacin brusca en el
control de la potencia elctrica sobre la carga, con la variacin de
la resistencia del potencimetro. Este control podra aplicarse el
control todo o nada como el caso de los rels estticos asincrnicos.
Este sistema manejado desde un sistema de control automtico se
podra hacer funcionar mediante un transistor, controlando la
corriente de base, como muestra la figura:
Para este caso cuando el transistor pasa al corte, haciendo la
corriente de base cero, El UJT se dispara en el inicio de cada
ciclo entregando a la carga la potencia mxima. Cuando el transistor
esta conduciendo, el capacitor queda cargado con una tensin baja
(VBEsat) y por lo tanto nunca se llega a la tensin de disparo Vp,
del UJT; por lo que no se entrega potencia a la carga.
0 30 60 100 Rp
VL (%) 100
0
VL
ib
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Control por pedestal y rampa exponencial
Este mtodo, es una combinacin de control por pedestal con rampa
exponencial que puede ser iniciada a partir de una tensin pedestal
(precarga del capacitor a travs del potencimetro y el diodo). La
tensin pedestal esta determinada por el divisor resistivo que fija
el potencimetro y el tiempo de precarga, es rpido dado el valor
bajo de Rp.CE. El diodo bloquea una posible derivacin de corriente,
cuando el capacitor supera la tensin pedestal, ahora en su carga
exponencial, a travs de RE. Los tiempos de disparo t1 y t2, se
logran modificando el valor de la tensin de pedestal, con un mismo
valor de constante de carga exponencial RE.CE. En la grafica del
porcentaje de VL en funcin de la variacin del potencimetro, tenemos
dos curvas 1 y 2, que corresponden para distintos valores de
producto RE.CE. Para un determinado valor de este producto, se
logra mejorar la linealidad de la funcin graficada. Una mejora en
la linealidad comentada, se logra con el control pedestal, rampa
cosenoidal.
Vs Vz Vp Vc
Vp1 Vp2
Vdisp. 0 t1 t2 t
t
%VL 100
0 100 %Rp
1
2
1 para RE1.CE 2 RE2.CE
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Control por pedestal y rampa cosenoidal
El control por pedestal y rampa cosenoidal, es similar al caso
anterior, con la diferencia que la tensin de carga del capacitor,
despus de su precarga (pedestal) es cosenoidal. Para lograr este
tipo de rampa, el circuito que carga al capacitor a travs de RE,
debe ser alimentado por una tensin alterna senoidal, tomada en la
entrada del circuito de sincronizacin, antes de ser recortada por
el diodo zener. De esta forma, la tensin del capacitor la podemos
expresar como:
Vc = V1 + 1/CE. iE.dt como iE Vmax/RE.sen wt reemplazando
tenemos:
Vc = V1 + 1/CE. Vmax/RE.sen wt.dt
Vc = V1 + Vmax / RE.CE.w.( 1 cos wt ). Este tipo de control, es
el que tiene la mayor linealidad entre el control de potencia en la
carga y la variacin de la tensin de pedestal (en este caso, a travs
de un potencimetro).
Vs Vz Vp
Vc
Vp1 Vp2
Vdisp. 0 t1 t2 t
t
%VL 100
0 100 %Rp
1
2
1 para RE1.CE 2 RE2.CE
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Circuito completo de control manual de potencia elctrica
monofsico semicontrolado realizado con componentes discretos con
SCR y UJT
Este circuito, de valor conceptual, nos muestra en forma
sencilla, las etapas mas importantes de un convertidor de CA a CC
(rectificador controlado). Para el caso el circuito principal del
convertidor, esta formado por el puente semicontrolado, formado por
los diodos D1 y D2 y los tiristores (SCR) T1 y T2. Para alimentar
el circuito de sincronizacin, control y generacin de los pulsos de
disparo, se recurre al puente monofsico formado por los diodos D1,
D2, D3 y D4. Si este circuito forma parte de un control de tipo
realimentado, con seal de referencia, la tensin de control ingresa
directamente en el nodo del diodo para controlar el pedestal.
(Precarga del capacitor CE).
Problema: Disear el circuito rectificador media onda con SCR con
circuito de disparo con UJT, con control exponencial:
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a) Seleccin del SCR:
Consideramos el caso mas desfavorable o sea la carga mxima con
un ngulo de conduccin de 180, con una carga RL = 100 . _ _
ITM = (1/2).0 (2.220/RL). Sen wt dwt = (2.220/RL.) = 1 A
(corriente media) ______________________________ _
ITef. = (1/2).0 (2.220/RL)2. Sen2 wt dwt = (2.220/RL.2)=1,55 A
(corriente eficaz) _
VRWM = Vm = 2.220 V = 310 Volt (tensin mxima inversa
repetitiva).
A estos valores mximos es aconsejable adicionar factores de
seguridad comprendidos entre 2 y 3. Si tomamos 2, entonces debemos
seleccionar en 1 instancia un SCR con los siguientes valores
elctricos:
ITM 2A ITef. 3 A VRWM 600 volt
b) Calculo del circuito de disparo
b1) Determinacin de RB1: La finalidad de RB1 es evitar como
dijimos, disparos imprevistos del SCR (con trafo de pulsos no se
coloca), al drenar parte de la corriente que circula por el UJT por
la resistencia internase RBB. Por lo tanto debe ser lo mas bajo
posible, siempre que asegure el disparo del SCR. Utilizaremos un
UJT 2N4947 que tiene las siguientes caractersticas, para una tensin
de alimentacin de 20 volt:
RBB = 6 K , = 0,60 , Iv = 4 mA , Vv = 3 volt , Ip = 2A.
IR1= 20 V / (RB2+RBB+RB1) 20 V / RBB = 20 v/ 6 K = 3,3 mA
Dado que la mayora de los SCR se disparan con una tensin de 0,7
a 1 volt, tomamos entonces una tensin sobre RB1 de unos 0,3 volt.
De esta forma nos permite un margen de tensin de ruido de o,4 volt
(0,7-0,3), que es un valor aceptable.
RB1 = VRB1 / IRB1= =,3 V / 3,3 mA 100
b2) Calculo de RB2 : Esta resistencia tiene la misin de
estabilizar trmicamente a los UJT. Se determina experimentalmente o
por medio de graficas. Para la mayora de los UJT, se estabilizan
con resistencias de valor entre 500 a 3 K. Nosotros la vamos a
calcular con la formula terica desarrollada anteriormente:
RB2 = V D. RBB / (VCC. ) + (1-. RB1) / = (0,6.6)/(20.0,6) +
(1-0,6)/0,6.0,1 = 315
Adoptamos RB2 = 470
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b3) Determinacin de REmin, REmax y el capacitor CE.
Previamente, debemos observar la grafica de la caracterstica V-I
del Terminal de Emisor del UJT
Determinaremos primero, el valor de REmax que permite que el UJT
se dispare. Se producir cuando el capacitor se cargue con la tensin
Vc = Vp, a traves de Re y Vz como tensin de alimentacin, Como vemos
en la grafica, entonces el valor de REmin vale: REmin = (Vz-Vp) /
Ip = (Vz- Vz.) / Ip = (20 20.0,6) / 2A = 4 M
Esto significa que RE deber ser menor de 4 M para que la tensin
en el capacitor, llegue a la tensin de disparo Vp del UJT. Para
calcular RE min, es necesario que la recta de carga no intercepte
un punto de la caracterstica V- I del UJT que presente resistencia
positiva, porque si ocurre esto , el UJT se dispara una vez y luego
queda bloqueado. En la grafica, vemos que el punto limite, esta
dado para IV y Vv . El valor mnimo de RE lo calculamos como:
REmin = ( Vz- Vv) / Iv = (20 V- 3 V) / 4 mA = 4,25 K
El valor REmin calculado, significa que RE no debe ser inferior
a 4,25 K para que el UJT, una vez disparado, vuelva a
bloquearse.
Adoptamos RE min = 10 K. Para calcular el valor de la
resistencia del potencimetro de manera tal que
RE = RE min + REp
Nos conviene tomar la media geomtrica en lugar del valor
promedio, dado que los dos valores extremos difieren mucho:
____________ __________
RE = REmin.REmax = 4,25 . 4x103 64 K
Con este valor, podemos calcular el capacitor, teniendo en
cuenta que llegue a la tensin de disparo Vp en el tiempo de t= T/2,
cuando RE tiene su valor mximo.
IE
IV
IP
IEBO
VV VK VP V Vc
Emisor IE Base 2
Base 1
VE Smbolo
Caractersticas tensin corriente del terminal Emisor-Base 1
REmax REmin
Vz VE
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t CE.RE para 0,6
t = T/2 = 20 mseg/2 =10 mseg
CE = 10 msg / 64 K = 0,156 F.
Un valor de CE fcil de conseguir es de 0,1 F, por lo que
conviene recalcular el valor de RE:
RE = t / CE = 10 mseg / 0,1 F = 100 K
Adoptamos entonces un potencimetro lineal de 100K
C) Calculo del diodo Zener y Rs
IEmax = Vz / REmin = 20 v / 10 K = 2 mA ;
IR1 = Vz / ( RB1+RBB+RB2) 3 mA
Estos dos ltimos valores representa la corriente de carga del
circuito regulador paralelo con diodo Zener. Para evitar la tensin
de codo del diodo Zener, adoptamos un valor de la corriente de
zener de 20 mA, de manera tal que cualquier variacin de la
corriente de carga, prcticamente no influye sobre la tensin de
zener. Para que por el zener circule la corriente adoptada, debemos
limitarla con la resistencia Hrs., de manera que su valor, lo
podemos determinar como:
Rs = (Vm Vz) / (Iz+ IEmax + IR1 ) = (310 V- 20 V) / 25 mA = 11,6
K
Adoptamos un valor de Rs. = 12 K Finalmente para seleccionar
esta resistencia, debemos conocer su disipacin mxima:
Pinst = (Vm-Vz)2 / Rs = (310-20)2 / 12 = 3,3 W
Adoptamos una resistencia que disipe 5 W.
El diodo Zener lo adoptamos para VZ = 20 volt y Pdz = Iz . Vz =
20 mA . 20 V =0,4 W Adoptamos un diodo zener de W.
Finalmente nos queda determinar el diodo D que, junto con la
seal alterna provee la sincronizacin y alimentacin del circuito de
disparo. En este caso la corriente mxima que circulara por este
diodo, ser la suma de todas las corrientes parciales:
ID = IZ + IE +IR1 = 20 + 2 +3 = 25 mA.
La tensin inversa mxima que soporta resulta: _ _
VRWM = Vm.2 = 220 .2 = 310 volt.
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Adoptamos un diodos estndar como el 1N4005, 1N4006 o el 1N4007,
que soportan una corriente mxima de1 A y una tensin inversa mxima
repetitiva de 600, 800 y 1000 volt respectivamente.
Diseo prctico de un circuito de disparo con UJT de tipo
pedestal, control cosenoidal
Tomaremos como ejemplo el mismo caso anterior, remitindonos al
clculo de los componentes del circuito de disparo, segn la
figura:
1) Los valores de Rs., RB1, RB2, se determinan en forma similar
al problema anterior.
2) El potencimetro que fija la tensin de pedestal se fija en
forma practica en 5K y si adoptamos CE = 0,1 F, entonces el tiempo
que toma en cargarse CE con la tensin pedestal es de :
t = Rp.CE = 5K.0,1 F = 0,5 mseg. Como vemos se carga carga en un
tiempo de 5% del tiempo de medio ciclo de 10 mseg. 3) El valor de
RE se lo calcula partiendo de una tensin de pedestal de cero volt y
un pulso de disparo en 180 o sea en 10 mseg. Como la carga del
condensador es cosenoidal, entonces obtenemos RE de la formula de
carga del capacitor CE:
Vc = V1 + Vmax / RE.CE.w.( 1 cos wt ).
vs
Vped
t de disparo wt180
Vped=0
Vs Vz Vp Vc
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Para el caso V1 = 0 , cos 180 = -1 , Vc =.Vz = 0,6. 20
Reemplazando estos valores en la formula anterior y despejando
RE tenemos:
RE = (Vm . 2) / ( Vz . . CE. W) = 1,56 M
El diodo D1 se adopta estndar como por ejemplo 14007 dado que la
corriente que circula por el mismo es mnima lo mismo su tensin
inversa.
Conceptos para utilizar el circuito anterior en un sistema de
control realimentado.
Para este caso, la seal de control realimentada, obtenida como
seal de error, amplificada, compensada y adaptada al circuito, se
aplica como tensin de pedestal para controlar el ngulo de fase. La
figura siguiente, nos muestra el circuito simplificado:
Transistor unijuntura programable PUT
Este dispositivo, tiene un comportamiento similar al UJT, con la
diferencia que la relacin intrnseca se puede programar, mediante un
divisor resistivo. A pesar de llamarse transistor, su estructura es
la de un tiristor en el que el Terminal de puerta G se toma del
lado del nodo en lugar del de ctodo (base del transistor pnp)
P
N
P
N
nodo (A)
Ctodo (C)
Puerta (GA)
A
C
GA
Smbolo
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La forma tpica de polarizar al PUT, es la que se muestra en el
circuito (A) de la siguiente figura:
El circuito (B) se obtiene aplicando Thevenin en en el Terminal
de compuerta siendo:
VT = (Rp.VGG) / ( PR+R1) y RT = (R1.Rp) / ( R1+Rp) Para una VT
determinada y mientras VAA < VT, la corriente de nodo IA es
prcticamente despreciable, estando el PUT en estado de bloqueo. Si
VAA > VT en una cantidad " Vp" , se produce una inyeccin de
portadores de carga por el diodo formado por el Terminal del nodo y
compuerta, dando comienzo a la realimentacin interna que provoca el
estado de conduccin de PUT entre el nodo y el ctodo. Una vez
activado el PUT si disminuimos la tensin VAA de manera que la
corriente pase por debajo de un valor llamado de valle IV (mnima de
mantenimiento), el PUT nuevamente pasa al estado de bloqueo, de
manera similar al UJT. La prxima figura muestra la caracterstica
V-I de los terminales nodo-ctodo para un determinado valor de RT y
VT
En forma similar al UJT, el PUT se utiliza para disparar
tiristores en un circuito de relajacin, sincronizado con la
frecuencia de red. Sintetizando, el PUT puede reemplazar al UJT en
los circuitos de disparo que hemos analizado, conectando el
Terminal nodo del PUT con el Terminal que corresponde al emisor del
UJT y el ctodo del PUT, con el terminal base2 del UJT. Se deber
agregar un divisor resistivo, para programar la relacin intrnseca
.
VAC Vp
Vs
VA
VV
IGAo Ip Iv IA IAC
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La siguiente figura, muestra un circuito de disparo con PUT con
control exponencial donde se ha agregado un divisor resistivo en la
compuerta (R1, Rp) y su fuente de alimentacin (D1, C1).
Generacin de pulsos con DIAC El DIAC es un tiristor doble,
conectado en antiparalelo, sin compuerta, que tiene la
particularidad de conducir corriente en los dos sentidos de sus
terminales, cuando la tensin en sus extremos supera el mximo
voltaje de bloqueo directo VBO. El dibujo siguiente, muestra la
estructura interna, su smbolo y su caracterstica V-I:
P1
N2
P2 N3
N1
A2
A1
IA
VA2> VA1 IA
VA1> VA2
A2
A1
Smbolo
10 mA VBO=-20 a-30 V
VBO=20 a 30 V -10 mA
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Como se puede ver en la estructura interna el DIAC esta
compuesto por dos tiristores compuestos por:
P2 N2P1N1 para V21 >0
P1 N2P2N3 para V12
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El DIAC esta conectado por un extremo a la compuerta del TRIAC;
por el otro a un capacitor que forma parte de un circuito defasador
de tensin, tipo RC. De esta forma la tensin del capacitor estar
retrasada respecto a la tensin de lnea. Cuando la tensin del
capacitor llega a la tensin de activacin del DIAC, este se dispara,
inyectando un pulso de corriente en la compuerta del TRIAC,
activndolo. Cuando este ltimo se activa, cae la tensin del circuito
de disparo, por estar conectado a los terminales del TRIAC,
haciendo que el DIAC pase al estado de bloqueo y el capacitor se
descargue. Para el semiciclo negativo, el capacitor se carga
inversamente, y cuando llegue a la tensin de activacin del DIAC, se
producir un pulso de corriente con polaridad opuesta, haciendo
activar el TRIAC en sentido inverso. Conectando al TRIAC
adecuadamente, se los puede disparar en los dos cuadrantes con
mayor sensibilidad.
Determinacin del ngulo mnimo de activacin del DIAC: Este se
producir cuando el valor de R = R1+Rp = 0 y la tensin de
alimentacin tome el valor de activacin del DIAC o sea VBO .
VBO = Vm, sen min
min = arc.sen (VBO /Vm)
Determinacin del ngulo mximo de activacin del DIAC:
max = - min =- arc.sen (VBO /Vm)
Clculo de la constante de tiempo R.C para el ngulo de activacin
mximo:
Partimos de la formula de carga de un capacitor con tensin
previa
Vc = vo + 1/C i dt como i = (vs vc) / R vs / R y vs = Vm. Sen
wt
Vc = vo + 1/C vs/R dt = vo + 1/C. Vm/R.sen wt dwt
Vc= vo + (Vm/R,C.W)[1-cos wt]0wt
Para Wt = max. = - min =- arc.sen (VBO /Vm) = T/2
Vc = VBO = vo + (Vm/R,C.W)[1-cos wt]0 = vo + (2.Vm) / (
R.C.W).
Despejando la constante de carga obtenemos:
R.C = (2.Vm) / (VBO vo).W
Seleccionando el valor de R o de C, obtenemos el otro.
Consideraciones practicas del circuito de control con DIAC y
TRIAC
1) Este circuito, en la prctica tiene histresis, respecto a la
variacin de la constante CR., para variar la potencia en la carga,
debido a la carga residual del capacitor. Para evitar este
inconveniente se reduce con el mtodo de control por doble constante
de
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tiempo, que hace que el capacitor C2 (de la prxima figura)
siempre mantenga una carga residual, prcticamente constante,
anulando el efecto de histresis.
2) Si la carga que se controla es fuertemente inductiva, se
producir un defasaje entre la corriente circulante por el TRIAC y
la tensin de alimentacin. En este caso cuando la corriente se hace
cero, puede ocurrir que la tensin de alimentacin en ese momento,
tiene un valor elevado y el TRIAC no la pueda bloquear dado que la
aplicacin a superado su mxima dv/dt. Por ello, al circuito anterior
se lo debe proteger contra la dv/dt, colocando un circuito serie RC
(red amortiguadora), en paralelo con el TRIAC. El valor de R y C
necesarios, se determina por clculo o por graficas (bacos)
suministradas por el fabricante, dados en funcin de la corriente
eficaz y mxima dv/dt del TRIAC. 3) Cuando se utiliza este circuito
para control de iluminacin con lmparas incandescentes, se debe
tener precaucin cuando se selecciona el TRIAC, que no solamente se
debe tener en cuenta la corriente eficaz que soporta, sino tambin
la mxima corriente pico que admite el TRIAC. Esto es necesario
tenerlo en cuenta, especialmente en las lmparas de iluminacin
incandescentes dado que su resistencia elctrica en fro es muy baja,
siendo la corriente de choque o inicial, cuando se prende la
lmpara, muy alta. En lmparas de alta potencia la Inicial / I
nominal es de 15:1 y en lmparas de baja potencia 10:1. 4) Otro
aspecto a tener en cuenta, es que los circuitos de control con
variacin del ngulo de fase pueden producir interferencias de
radiofrecuencia, en el momento de la conduccin, debido a los picos
de la corriente producidos por la conexin a la carga a una tensin
no nula. Para evitar estas interferencias, se pueden colocar
filtros de provisin comercial para red industrial, o un filtro como
muestra la siguiente figura:
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Circuito practico final
AISLACION Y AMPLIFICACION DE LOS CIRCUITOS DE DISPARO
En los convertidores de potencia elctrica con tiristores, como
el caso de los rectificadores controlados, existen diferencias de
potencial entre los diversos terminales. El circuito convertidor,
propiamente dicho, esta sujeto por lo general, a tensiones
elctricas superiores a los 100 volt, mientras que los circuitos de
control y formacin de pulsos de disparo, trabajan con tensiones
elctricas de baja magnitud. (Para los circuitos de disparo de
compuerta, entre 12 y 30 volt). De all la necesidad de contar con
un circuito de aislamiento entre un tiristor individual y su
circuito generador de pulsos de disparo. El aislamiento se logra
utilizando opto acopladores y transformadores de pulso.
Opto acopladores: Los opto acopladores son circuitos con
semiconductores que tienen en su entrada un diodo emisor de Luz,
normalmente del tipo de emisin infrarroja (ILED, de infrared
Light-emitting diode )y en su salida , tiene un semiconductor
detector de luz, como por ejemplo un fototransistor, un
fotodarlington o un fototiristor. Ambos circuitos, estn acoplados
mediante un dielctrico transparente, proporcionando, entre ellos,
una aislamiento elctrico, entre 5 y 15 KV. De esta manera el
circuito de control y disparo se conecta en la entrada del opto
acoplador y la salida se conecta a la compuerta de disparo del
tiristor, asegurando entre ellos una alta tensin de aislamiento.
Ejemplo:
Entrada Salida
Diodo emisor de luz (ILED)
Foto transistor
Tipos: HP24 6 KV aislamiento; HP23 , uso en fibras pticas HP22
10 a 15 KV aislamiento
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Existen en el mercado, opto acopladores con fototransistores con
tiempos de subida y bajada muy cortos. Valores tpicos para el
encendido (ton) son de 2 a 2,5 s y tiempos de apagado (toff) de 300
nseg. Estos tiempos de conmutacin, limitan las aplicaciones en alta
frecuencia. En la prxima figura mostramos un opto acoplador con un
fototiristor del tipo SCR:
Un pulso corto en la entrada del fotodiodo (proveniente de un
UJT o PUT) activa al foto-SCR y se dispara el tiristor de potencia
T1. El inconveniente de este tipo de aislamiento, es la necesidad
de contar con una fuente auxiliar separada (en el esquema +Vcc) y
esto aumenta el costo y el peso del circuito de disparo.
Transformadores de pulso: Son transformadores especiales que
permiten reproducir en los secundarios pulsos de tensin de muy
corta duracin. Son construidos con ncleos magnticos de gran
permeabilidad, con aleaciones especiales como Hipersil, Permalloy o
Ferrite. Tienen un solo devanado primario y pueden tener uno o
varios devanados secundarios. Con varios devanados secundarios se
pueden lograr seales pulsantes simultneas para excitacin de
compuertas que exciten tiristores conectados en serie o en
paralelo. Estos transformadores se caracterizan por tener una
inductancia de fuga muy pequea, y el tiempo de subida del pulso
deber ser muy pequeo. Con un pulso relativamente largo, y con baja
frecuencia de conmutacin, el transformador se satura y la salida se
distorsiona.
Aislamiento y amplificacin de pulsos con transformadores de
pulso A continuacin veremos algunos circuitos tpicos de aislamiento
y amplificacin de pulsos: 1) Amplificador de pulsos de
corriente
Opto acoplador
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Este circuito amplifica y produce aislamiento del circuito
generador de pulsos con PUT. Los pulsos de corriente generados por
el PUT, son amplificados por el transistor bipolar Q1. El pulso de
corriente de colector circula por el devanado primario induciendo
en el secundario otro pulso de tensin que inyecta una corriente en
la compuerta del tiristor.
2) Generador de pulsos cortos con circuito diferenciador
Cuando aplicamos pulsos rectangulares positivos o de larga
duracin a la red diferenciadora, formada por C1R1, se generan
pulsos cortos, positivo, en el flaco de subida y negativo, en el
flanco de bajada. El pulso negativo, es bloqueado por el diodo D1
conjuntamente con la juntura base-emisor de Q1. El pulso positivo,
produce la conmutacin de Q1, hacindolo pasar a la saturacin, lo
cual hace aparecer un voltaje (+Vcc) sobre el primario del
transformador, induciendo un voltaje pulsante en el secundario del
transformador, que se aplica entre los terminales de compuerta y
ctodo del tiristor. Cuando el pulso se retira de la base de Q1, el
transistor se apaga y se induce un voltaje de polaridad opuesta a
travs del primario, haciendo conducir al diodo Dv (diodo volante o
de corrida libre). La corriente, debida a la energa magntica
disminuye a cero a travs de Dv. Durante esta disminucin
transitoria, se induce el correspondiente voltaje inverso en el
secundario. 3) Generacin de pulsos largos
V1
t
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Se puede alargar el ancho del pulso conectando un capacitor C en
paralelo con el resistor R. El transformador conduce corriente
unidireccional y el ncleo magntico se puede saturar limitando as el
ancho del pulso. (Se logran pulsos de 50 a 100seg)
4) Generacin de tren de pulsos
En numerosos convertidores de potencia elctrica, las cargas son
del tipo inductiva, por lo que el periodo de conduccin de un
tiristor depende del factor de potencia (FP) de la carga. La
consecuencia de esto, es que no se sabe exactamente el inicio de
conduccin del tiristor (la corriente tiene un periodo relativamente
largo para que el tiristor se active). En este caso resulta
conveniente disparar en forma continua a los tiristores.; pero esto
hace aumentar las perdidas en el tiristor, por lo que resulta
conveniente dispararlo con un tren de pulsos. El circuito anterior
permite la generacin de un tren de pulsos, por la accin del
devanado auxiliar N3. Cuando se aplica la tensin en la entrada V1,
el capacitor C1 se carga a travs de R1, haciendo conducir a Q1;
esto provoca conduccin en el devanado primario lo que induce un
pulso de tensin en N2 (hacia el tiristor) y N3, que polariza
negativamente al diodo D1. Esto provoca el corte de Q1; al
desaparecer la tensin negativa sobre D1, Q1 nuevamente conduce
corriente, generando otro pulso, repitindose el proceso, lo que da
lugar en la salida de N3, a un tren de pulsos que durara hasta
tanto se mantenga la tensin V1 en la entrada. A este tipo de
circuito se le denomina Oscilador de pulsos de bloqueo.
5) Generacin de tren de pulsos con oscilador y compuerta lgica
AND
Oscilador de pulsos
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A diferencia del circuito anterior, donde el mismo circuito que
a travs del devanado N3, se generaba el tren de pulsos, en este
caso, se genera externamente, por medio de otro circuito, como por
ejemplo, utilizando un CI555. Con una etapa de control y excitacin
del tipo de compuerta Y (AND), se logra controlar el inicio y final
del tren de pulsos, mediante la tensin V1.
Proteccin en los circuitos de compuerta
La salida de los circuitos de disparo, se conectan normalmente,
para el caso de un SCR, entre la compuerta y el ctodo, junto con
otros componentes que actan como protectores de la compuerta. Para
el circuito (A) de la figura anterior, el capacitor Cg, cumple la
misin de eliminar los componentes de ruido elctrico de alta
frecuencia, aumenta la capacidad de dv/dt y el tiempo de retardo de
la compuerta del tiristor. Para el circuito (B), el resistor Rg
aumenta la capacidad del valor dv/dt del tiristor, reduce el tiempo
de apagado y aumenta las corrientes de sujecin y enganche.
Para el circuito (C), el diodo Dg, protege la compuerta contra
el voltaje negativo. Sin embargo, para los rectificadores
controlados de silicio, como el SCR, resulta conveniente tener
cierta cantidad de voltaje negativo en la compuerta, para mejorar
la capacidad de dv/dt y tambin para reducir el tiempo de apagado.
Todas las funciones mencionadas en los circuitos de compuerta A, B
y C pueden combinarse, como se observa en el circuito D, donde
adems se agrego un diodo D1 que permite solamente que pasen pulsos
positivos y la resistencia R1 para limitar la corriente de
compuerta.