UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICAELECTRONICA DE POTENCIA ÍNDICE • OBJETIVOS ……………………………………….……….... ………………………………..…2 • FUNDAMENTO …………………………………………………3 TEORICO………………………. • CUESTIONARIO ………………………………..9 ...…………………………………………………. • SIMULACION EN PROTEUS……. ………………………………………………………………..9 • CONCLUSIONES…………………. ……….........................................................11 • APLICACIONES……………………………………………………………………… ………………..11 • FOTOS DE LA EXPERIENCIA REALIZADA……………………………………………………14 • ANEXO …………………………………………………………………………………………… ..……17 • BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………… ……….…….18 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA LABORATORIO N° 1: DISPARO DE UN TIRISTOR CON COMPONENTES DISCRETOS I. Objetivos Comprobar experimentalmente el disparo de un tiristor con elementos discretos y también conectando a una carga. Armar circuitos de activación de un tiristor y observar las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. II. Equipos y Materiales 1 Osciloscopio digital 1 Multímetro digital 1 Tiristor 2N3669 o Equivalente. 1 PROTOBOARD 2 Condensadores de 0.22uF, 88nF y 0.02uF y 2W de potencia 1 Foco con su sokect (carga) 2 Resistencias de 10 K y 2W de potencia 1 Potenciómetro de 100K Ω 2 Interruptores SW1 y SW2 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA III. el tiempo que demora en prenderse y medir la tensión entre ánodo y cátodo del tiristor. lo que sucede con la lámpara . 4) Repetir el paso 2 y 3 para valores de RP de 70 y 100K. 7) Luego de verificar que todas las conexiones están correctas cerrar el interruptor SW. S W F O C O 1 0 k 2 2 0 V 6 0 H z 1 0 0 k a c R 1 2 N 3 6 6 9 R p 0 . observando lo que sucede con la lámpara y medir la tensión entre el ánodo y cátodo. . 5) Armar el circuito que se muestra en la figura y seleccione en R P un valor de 50K. observando la figura que aparece en el osciloscopio. 2 2 u FC 1 6) Conectar el osciloscopio entre los terminales del condensador y observe la forma de onda. 3) Luego de verificar las conexiones cerrar el interruptor SW2. Procedimiento 1) Armar el circuito de la figura. 8) Repetir los pasos 6 y 7 para valores de RP de 70 y 100K. S W 1 F O C O ELECTRONICA DE POTENCIA 1 0 k 2 2 0 V 6 0 H z 1 0 0 k a c R 1 2 N 3 6 6 9 R p S W 2 2) Seleccionar en RP un valor de 50K y cerrar el interruptor SW1 observando que sucede con la lámpara. que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia. los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción. por lo tanto debe tener mucho cuidado. sólo habrá una corriente muy pequeña hasta que se alcance la tensión de ruptura (VRB). GCS (Gate Controlled Switch). La palabra tiristor. SCS (Silicon Controlled Switch). entonces se cierra y permite la conducción. procedente del griego. trataremos en este tutorial los tipos más significativos: Diodo Shockley. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación. El nombre es fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. 1 EL DIODO SHOCKLEY El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA 9) Anote en su hoja de datos todos los gráficos y valores de tensión medidos. Actúa como un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor. Hacer el fundamento teórico del experimento realizado. Diac y Triac. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico (IH). IV. significa puerta. SCR (Silicon Controlled Rectifier). Cuestionario: 1. . recuerde que la corriente y tensión son alternas. como en un diodo. FUNDAMENTO TEORICO El tiristor Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn). Dentro de la familia de los tiristores. Figura 1: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD Para valores negativos del voltaje aplicado. Está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. como si se tratase de un interruptor.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Figura 2: Característica I-V del diodo Shockley ELECTRONICA DE POTENCIA 2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley. . con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de corriente con una señal en el terminal de gate. cátodo y puerta (gate). no permitirá el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en el terminal de puerta. Al igual que el diodo Shockley. con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo. Igual que el SCR. la parte de polarización inversa de la curva es análoga a la del diodo Shockley. presenta dos estados de operación: abierto y cerrado. La diferencia se encuentra en que el GCS puede pasar al estado de corte mediante un pulso negativo 10 ó 20 veces mayor que el pulso positivo aplicado para entrar en conducción. Figura 5: Característica del SCR 3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH) Este dispositivo es similar al SCR. Figura 4: Construcción básica y símbolo del SCR CARACTERISTICA TENSION INTENSIDAD Tal y como se aprecia en la Figura 5. Figura 11: Símbolo del SCS 5 EL DIAC Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos. uno para entrar en conducción y otro para corte. que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa. Cualquiera que sea la polarización del dispositivo. no tienen por qué ser simétricas. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR. Figura 12: Construcción básica y símbolo del diac La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac. El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Los GCS están diseñados para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas pocas decenas de amperios. Este último tiene la ventaja de poder abrirse más rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate. También se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores. . a pesar de tener una forma análoga. pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente. Las partes izquierda y derecha de la curva. Figura 10: Símbolo del GCS 4 SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH) Es similar en cuanto a construcción al SCR. se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Figura 13: Característica V-I del diac 6 EL TRIAC Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate). Al igual que el SCR. de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos. es decir. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo. el valor de VBO es distinto. para distintas corrientes aplicadas en gate. como en el resto de los casos. . Para que este dispositivo deje de conducir. En la curva característica se indica que para diferentes disparos. hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor IH. En la parte de polarización positiva. Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje VBO como el diac. Figura 14: Construcción básica y símbolo del TRIAC. la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de VBO más bajo. y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. revirtiendo en la activación del dispositivo. la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. disminuirá el voltaje de bloqueo directo. por lo que aumentarán las corrientes de fuga. Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa. y gracias a . TIRISTOR UNIDIRECCI ONAL 1 2 0 BIDIRECCIO ON/OF GAT GAT GAT NAL F E E E X X X X X X X X X X SHOCKLEY X SCR GCS SCS DIAC TRIAC Formas de activar un tiristor X X X Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor. Si aumenta esta corriente de compuerta. con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Figura 15: Característica V-I del triac Figura 16 Control básico de potencia con un Triac RESUMEN Como resumen final del tema se reflejan en una tabla las características más importantes de los tiristores que se han presentado. el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor. Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco. hasta llegar al mismo silicio. y el tiristor puede activarse. dv/dt: Si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es lo suficientemente alta. es el capacitor de 0. esta fuga tiende a evitarse. ¿Cuál el primero y segundo circuito? es la diferencia entre CIRCUITO 1 La diferencia entre los circuitos (1) y (2). se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Este método también puede dañar el dispositivo.22Uf que lleva el circuito (2) entre el gate y el cátodo. entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA la acción regenerativa. lo cual permite alcanzar un voltaje más alto de para que se dé el disparo. Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica. 2. . esta corriente puede llegar a ser 1. hasta el punto de la destrucción del mismo. Para ofrecer mejores resultados que los circuitos utilizados recomendaríamos utilizar un capacitor y una resistencia colocada antes de la compuerta. ¿Qué sucede con la lámpara cuando aumenta el valor de R P en ambos circuitos? Llega a un instante en el que el foco se apaga .UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Además la corriente que pasa por el tiristor cuando cuando existe un condensador es mucha más alta que en el circuito (1) según la simulación en PROTEUS. Según su opinión cual de los circuitos de disparo es el recomendable ¿Por qué? El circuito Nº1 tiene la desventaja es de que solo pueden obtenerse variaciones de ángulo entre 0º y 90º. El circuito Nº2 tiene la ventaja es que el ángulo de retardo de disparo se puede llevar más allá de los 90º debido al uso del capacitor. el cual puede almacenar energía. 4. con lo que se asegura una carga mayor para que pueda ser disparado el SCR. ¿Qué dificultades encontró para realizar este experimento? Sugiera que cambios se podrían hacer para mejorarlo. 5. esto se debe a que al aumentar Rp la corriente que pasa por a través de el GATE se hace mas pequeña y el tiristor deja de conducir. los cuales sólo pueden lograrse mediante un cálculo adecuado de las resistencias fijas y variables. . CIRCUITO 2 3. Observaciones y Conclusiones Conclusión . el voltaje retardado a través de C1 es usado para cargar a C2. En este esquema. Circuitos mejorados del disparo de un tiristor Además también seria recomendable colocar un fusible para así evitar el deterioro de nuestros elementos del circuito debido a algún exceso de corriente o corto circuito. V. Los capacitores generalmente deben caer en el rango de 0.01a1μF.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA En el circuito b) muestra una doble red RC para el control de compuerta. lo que da por resultado un retardo aún mayor en la acumulación del voltaje de la compuerta. el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente continua. podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. o bien. cátodo y puerta. Una vez arrancado. se necesita un circuito de bloqueo forzado. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Aplicaciones Los tiristores pueden ser utilizados como rectificadores. también es usado como interruptor de corriente y reemplazar a los contactores mecánicos. . permitiendo circular la corriente en un solo sentido. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable. el tiristor puede comportarse como un amplificador.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Un SCR posee tres conexiones: ánodo. Debido a que la corriente de la puerta es muy pequeña comparada con la corriente en el ánodo. repetitivo. se controla la corriente que pasa a la carga. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor. cumple la función de un diodo rectificador. éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Según se atrase o adelante éste. en el campo del control. ya que la salida es unidireccional y va solamente del cátodo al ánodo. por tanto en sí misma es asimétrica. En diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes. No se debe confundir con la operación simétrica. debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico. Los tiristores pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados por ángulos de fase. . En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de encendido. Se puede decir que el dispositivo opera de forma síncrona cuando. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia. una vez que el dispositivo está abierto. que nos permite controlar la tensión o corriente que se entrega a la carga. esto es una modulación por ancho de pulsos para limitar el voltaje en corriente alterna. también son comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA También es utilizado como regulador debido a que es posible ajustar el momento preciso para aplicar el disparo en la puerta. comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la puerta. para la realización de conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos. pantallas electrónicas. . los cuales sólo pueden lograrse mediante un cálculo adecuado de las resistencias fijas y variables La ventaja del circuito (1) es que el ángulo de retardo de Circuito de control de compuerta SCR que es una mejora sobre el circuito de control sencillo. Otras aplicaciones comerciales son en electrodomésticos (iluminación. calentadores. equipos para exteriores (aspersores de agua.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA La primera aplicación a gran escala de los tiristores fue para controlar la tensión de entrada proveniente de una fuente de tensión. activación de alarmas. para transformar esta corriente alterna en corriente continua (siendo en este punto los tiristores onduladores o inversores). velocidad de ventiladores). por ejemplo.. como un enchufe. Se suelen usar para controlar la rectificación en corriente alterna. control de temperatura. herramientas eléctricas (para acciones controladas tales como velocidad de motores. cargadores de baterías). es decir.) CIRCUITOS DE CONTROL Y DISPARO DE LA COMPUERTA Los circuitos de control de disparo de compuerta más empleado son los siguientes: El circuito anterior tiene la desventaja que sólo pueden obtenerse variaciones de ángulo entre 0◦y 90 ◦. encendido de motores de gas. A comienzo de los ’70 se usaron los tiristores para estabilizar el flujo de tensión de entrada de los receptores de televisión en color.. lo que da por resultado un retardo aún mayor en la acumulación del voltaje de la compuerta. Cualquiera de los dos circuitos mostrados en la figura (12) ofrece mejores resultados que el circuito de la figura (1).UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Disparo se puede llevar más allá de los 90◦.6V para que pueda ser disparado el SCR. Los capacitores de la figura (12) generalmente caen en el rango de 0. el voltaje retardado a través de C1 es usado para cargar a C2. El circuito ofrece un mejor resultado que los mencionados anteriormente debido al uso de capacitores y de la resistencia colocada antes de la compuerta. Las constantes de tiempo: (R1 + R2)C = 1mseg −30mseg (R1 + R2)C1 = 1mseg −30mseg . con lo que se asegura una carga mayor a 0. el cual puede almacenar energía. El circuito b) muestra una doble red RC para el control de compuerta. Circuitos de control de disparo de un SCR mejorados. Debido al uso del capacitor. En este esquema.01a1μF. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA (R3)C2 = 1mseg −30mseg PROCEDIMIENTO DE LA EXPERIENCIA Primer circuito pedido donde se observa que tenemos ambos switch activos para poder tener control de activaciones Análisis gate del desfasaje de . UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Observando que la resistencia es mayor a 80 ohmios . UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA Observamos el pulso de onda en el osciloscopio Materiales y utilizado en el laboratorio circuito . .UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA ANEXO Estos son datos específicos de un tipo de tiristor y que es justamente con el cual trabajo nuestro grupo . Tore Underland. Paginas de Internet: Google y Yahoo electrónica de potencia Ned Mohan. Maloney Thimoty.ufro.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRONICA DE POTENCIA BIBLIOGRAFIA Muhammad H. Dispositivos y Aplicaciones. Electrónica de potencia: Circuitos. Rashid. Tercera Edición 2009. Tercera edición. http://www. Mc Graw Hill.htm . Pearson: Prentice Hall. aplicaciones y diseño.inele. 878 páginas.cl/bmonteci/semic/applets/pag_scr/pag_scr. Electrónica Industrial Moderna. Electrónica de Potencia: Convertidores.