TRIACS Y UJT

UNIVERSIDAD DON BOSCOESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Inga. María Celia Parada Díaz. Guión de clase # 2 TRIACS (Tiristores de triodo bidireccional) Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y normalmente se utiliza en el control de fase de corriente alterna. Se puede considerar como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo, con una conexión de compuerta común, como se muestra en la figura (a). Las características v-i aparecen en la figura (c) Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, el TRIAC se puede activar aplicando una señal de compuerta positiva entre la compuerta G y la terminal MT1. Si la terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT1, se activará al aplicar una señal ne- gativa a la compuerta, entre la compuerta G y la terminal MT1. No es necesario que estén presentes ambas polaridades en las señales de la compuerta y un TRIAC puede ser activado con una sola señal positiva o negativa de compuerta. En la práctica, la sensibilidad varía de un cuadrante a otro, el TRIAC normalmente se opera en el cuadrante I+ (voltaje y corriente de compuerta positivos) o en el cuadrante III- (voltaje y corriente de compuerta negativos). (RASHID). FORMAS DE ONDA DE LOS TRÍACS. Las formas de onda de los TRÍACS son muy parecidas a las formas de onda de los SCR, a excepción de que pueden dispararse durante el semiciclo negativo. En la siguiente figura se muestran las formas de onda tanto para el voltaje de carga como para el voltaje del TRÍAC. (a través de las terminales principales) para tres condiciones diferentes. En la figura (a) las formas de onda muestran apagado el tríac durante los primeros 30º de cada semiciclo. Durante estos 30º el tríac se comporta como un interruptor abierto. Durante ese tiempo, el voltaje completo de línea se cae a través de las terminales principales del tríac, sin aplicar ningún voltaje a la carga. Por tanto no hay flujo de corriente a través del tríac o la carga. La parte del semiciclo durante la cual existe esta situación se llama ángulo de retardo de disparo. Continuando con la figura, después de transcurridos 30º, el tríac se dispara, o enciende, y se vuelve como un interruptor cerrado. En este instante el tríac comienza a conducir corriente a través de sus terminales principales y a través de la carga, y continúa conduciendo corriente de carga durante 1 En este caso. y hacia fuera del dispositivo por la Terminal MT1. Con una polarización como la que se muestra en la figura (a). durante el ángulo de conducción. CARACTERÍSTICAS ELECTRÓNICAS DE LOS TRÍACS Cuando un tríac está polarizado con un voltaje externo más positivo en MT2 (polarización en directa o positiva de la Terminal principal). generalmente es disparado por un flujo de corriente de la compuerta hacia MT1. Las polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes en este caso se muestran en la figura (a). Esto está en la información del fabricante. lo que causa el flujo de la corriente de disparo hacia el dispositivo. El voltaje de compuerta necesario para disparar un tríac se simboliza con VGT. En la figura (b) el ángulo de retardo de disparo es 120º y el ángulo de conducción es de 60º. el disparo de un tríac es idéntico al disparo a un SCR. la corriente promedio es menor de lo que era en la condición anterior. Estas características varían según con los cambios de temperatura. cuando el tríac tiene una polarización más positiva en MT1 (polarización en inversa o negativa de la terminal principal).el resto del semiciclo. En la figura © muestra un ángulo de retardo de disparo menor para el semiciclo negativo que para el semiciclo positivo. Por tanto hay una transferencia menor de potencia entre la fuente y la carga.0 V. el voltaje total de la línea es aplicado a la carga. La Terminal G es positiva con respecto a MT1. el flujo de corriente ocurre durante una parte menor del total del ciclo. a través de la terminal de la compuerta. Las formas de onda muestran que. El ángulo de conducción de la figura (a) es de 150º.6 a 2. apareciendo un voltaje cero a través de los terminales del tríac. La mayoría de los tríacs medianos tiene un VGT de unos 0.1 a 20 mA. Como se muestra en la figura (b). La corriente de compuerta necesaria para disparar se simboliza como IGT. La parte del semiciclo durante la cual el tríac está encendido se llama ángulo de conducción. Otro tríac del mismo tipo podría tender a dispararse con mayor facilidad en el semiciclo negativo. el disparo normalmente se logra enviando una corriente de compuerta al tríac por la terminal MT1 y 2 . Algunas veces tal comportamiento del disparo es inaceptable. y una IGT de 0. Para un R2 grande. En la siguiente figura aparece un circuito básico de disparo de UJT. MT2 es positivo con respecto a MT1. conocidas como emisor E. Para lograr esto. el voltaje de la compuerta será negativo con respecto a MT1. En la figura (a). Para establecer un rango más amplio de ajuste del ángulo de retardo.9 TRANSISTOR MONOUNIÓN. C se carga negativamente en su placa superior. Una sola red RC no puede retardar el disparo del tríac más allá de 90º. el capacitor se carga a través de R1 y R2 durante el ángulo de retardo de cada semiciclo. (Maloney) 1. MÉTODOS DE DISPARO PARA LOS TRÍACS. Un UJT tiene tres terminales. cuando el voltaje a través del capacitor alcanza un tamaño bastante para entregar la corriente de compuerta suficiente en la dirección opuesta a través de R3 para disparar el tríac. De nuevo. éste se dispara. Se muestran los valores de los componentes típicos para un tríac mediano. Durante un semiciclo negativo. Para un R2 pequeño. causando un retardo de disparo grande y una baja corriente de carga promedio. Durante el semiciclo positivo.fuera del tríac por la terminal G. B2. 3 . y la corriente de carga es alta. base 1. El transistor monounión (UJT) se utiliza comúnmente para generar señales de disparo en los SCR. La velocidad de carga del capacitor está dada por el resistor R2. B1 y base 2. y la placa superior de C es cargada positivamente. suele usarse la doble red RC de la figura (b). Las polaridades de los voltajes y las direcciones de las corrientes en este caso se muestran en la figura (b). el ángulo de retardo de disparo es pequeño. la monounión tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases RBB teniendo valores en el rango de 4. Cuando el voltaje en C alcanza un valor lo bastante grande para entregar suficiente corriente de compuerta (IGT ) a través de R3 para disparar el tríac.7 a 9.1 kΩ). El circuito más sencillo de disparo para un tríac se muestra en la siguiente figura. Las características estáticas de un UJT se muestran en la figura (b). la velocidad de carga es lenta. éste se dispara. Entre B1 y B2. la velocidad de carga es alta. el circuito de E a B1 se vuelve casi un circuito cerrado. El límite superior de R está dada por el requisito de que la recta de carga formada por R y Vs cruce a las curvas características del dispositivo a la derecha del punto de pico.82. R > S . Cuando el voltaje del emisor VE. T. R< Ip En el punto de valle I E = IV y VE = VV . La forma de onda del voltaje de disparo VB1 es idéntica a la corriente de descarga del capacitor C. llega al voltaje pico. El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar a un SCR. La constante de tiempo del circuito de carga es τ1 = RC . VBB. Cuando esto ocurre. 2. y para proteger al UJT de una posible falla térmica. Esto es.51 y 0. el UJT está apagado y no puede haber flujo de corriente de E a B1 (IE=0). El ancho tg del pulso de disparo es t g = RB1C En general RB1 está limitada a un valor por debajo de 100 Ω. se activa el UJT y el capacitor C se descarga a través RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo τ2 = RB1C. es totalmente independientemente del voltaje de alimentación Vs y está dado por 1 1 T= ≈ RC ln . Vp. el UJT se dispara. Para valores fijos de η.5 V ) ≈ ηVS + VD ( = 0. el UJT no se puede encender. Si la recta de carga no cae a la derecha del punto de pico. se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga.5 V ) Donde VD es la caída de voltaje directa de un diodo. dado que el circuito emisor del UJT está en estado abierto. Esta condición se satisface si VS − I p R > V p VS − V p Esto es. o enciende. excede a Vp por una cantidad muy pequeña. se carga el capacitor C a través de la resistencia R. Vp. Su valor está entre 0. La resistencia R está limitada a un valor entre 3kΩ y 3MΩ. Cuando VEB1. de tal forma que la condición del límite inferior de R para V − VV asegurar la desactivación es VS − IV R < VV . Los UJT operan como sigue: Refiérase a la figura siguiente: 1. pero a la izquierda del punto de valle. El período de oscilación. Cuando el voltaje entre el emisor y la base 1.Cuando se aplica un voltaje de alimentación Vs de alimentación. es menor que cierto valor llamado el voltaje pico. y se puede determinar en 104 forma aproximada a partir de RB 2 = (MUHAMMAD RASHID). El voltaje Vp está dado V p = ηVBB + VD ( = 0. aunque en algunas aplicaciones es posible tener valores de 2 a 3 kΩ. para compensar la reducción de Vp debida al aumento de la temperatura. Esta constante τ2 es mucho menor que τ1. Las formas de onda del emisor y de los voltajes de disparo aparecen en la figura ©. el emisor deja de conducir. El rango recomendado de voltaje IV de alimentación es Vs de 10 a 35 V. Por lo general una RB2 se conecta en serie con la base 2. donde el parámetro η se conoce f 1− η como relación intrínseca de equilibrio. VEB1. La resistencia RB2 tiene un valor de 100 Ω o mayor. el voltaje pico Vp varía con el voltaje entre las dos bases. y la corriente puede descargarse 4 . Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto de valle Vv. ηVS Disparo de un UJT. que es el mismo que el voltaje del capacitor vC . Refiérase nuevamente al circuito de la figura.6 es el voltaje de encendido directo a través de la unión pn que existe entre el emisor y la base 1.6 V. Hay cierta resistencia interna entre las dos terminales de base B1 y B2. es dividido entre los dos resistores internos rB2 y rB1. Curva característica corriente_voltaje de un UJT. 5 . o solamente razón de inactividad. En la estructura física de un UJT.6 V. Comparando esto con la ecuación VP = ηVB2B1 + 0. El capacitor comenzará a cargarse a través de RE en el momento en que el interruptor sea cerrado. Para una salida dada del UJT el voltaje pico Vp es cierto porcentaje fijo de VB1B2. mientras que el cuerpo principal de un UJT es material tipo n. Para disparar el UJT. el UJT se disparará (suponiendo que η=0. y se muestra como rBB en la figura siguiente (a). o VEB1 = VD + VB 2 B1 para poder rB1 + rB 2 disparar el UJT. aplicada al circuito (a). dado que rBB está dividido en dos partes. o simplemente desarrollar un voltaje a través de un resistor conectado a través de la base 1. el voltaje pico de un UJT puede escribirse como: VP = ηVB2B1 + 0. VB2B1. o η = = B1 rB1 + rB 2 rBB rBB es llamada la resistencia intrabase. un voltaje de CD externo es aplicado entre B1 y B2.de una terminal a la otra. rB2 y rB1. esta descarga de corriente puede ser usada para disparar un tiristor. La totalidad del voltaje aplicado. El valor de VEB1 requerido para lograrlo debe ser igual a la suma del voltaje de encendido rB1 directo del diodo más la caída de voltaje a través de rB1.55). Esta construcción la sugiere el circuito equivalente de la figura (a).. Por tanto. la descarga de corriente de E a B1 es de corta duración. el voltaje de E a B1 debe ser lo suficientemente grande para polarizar directamente el diodo de la figura (a) y drenar una pequeña cantidad de corriente a la terminal del emisor. Ese porcentaje fijo se llama razón de inactividad intrínseca. más 0.1 o encender un transistor.6 V Donde 0. del UJT. se forma una unión pn entre la terminal del emisor y el cuerpo del UJT. Por tanto. El diodo de esa figura indica que el emisor es un material tipo p.6 V se ve que la razón de rB1 r inactividad es la proporción rB1 a la resistencia interna total. En la mayoría de las aplicaciones. y se simboliza por η. La rB1 parte del voltaje que aparece a través rB1 está dada por: VrB1 = VB 2 B1 rB1 + rB 2 que sencillamente es la ecuación para un divisor de voltaje en serie. En la mayoría de los circuitos UJT. Como se muestra en la figura. siendo B2. Por tanto se crea un divisor de voltaje natural. la terminal del emisor hace contacto físico con el cuerpo principal del UJT en algún lugar entre la terminal de B2 y la terminal de B1. esto permite que la carga acumulada en las placas de CE se descargue con mucha rapidez a través del UJT. y el UJT pronto se revierte a la condición de apagado. Para la mayoría de los UJT esta resistencia es de unos 5 a 10 KΩ. (Vp). Dado que el capacitor está conectado directamente entre E a B1 cuando el voltaje del capacitor alcance 11. la terminal más positiva. Esta caída ocurre por el incremento drástico en el número de portadores de carga disponibles en la región B1 cuando la corriente del emisor comienza a fluir lentamente en el cuerpo principal del dispositivo. aparece como si rB1 cayera casi hasta cero ohmios en un período de tiempo muy corto. se requiere cierta cantidad mínima de corriente entregada por la fuente de alimentación al emisor. la resistencia RE debe ser lo bastante pequeña como para permitir el flujo de corriente necesaria. Dado que rB2 mantiene en este momento su alta resistencia original. Los tamaños de los componentes para un circuito de relajación se dan en la siguiente figura. el UJT se disparará. Cuando rB1 cae hasta casi cero ohmios. Este voltaje más pequeño es llamado el voltaje de valle y es simbolizado por VV en la figura. El capacitor externo rápidamente se descarga hasta el punto en que ya no puede entregar la corriente mínima requerida para mantener encendido el UJT. El oscilador funciona bajo los principios que se han estudiado en la teoría y operación de un UJT. y es de apenas unos microamperes para la mayoría de los UJT. El mecanismo por el que el UJT se dispara se sugiere en la figura siguiente. a fin de generar señales de salida. En este punto. Desde el punto de vista externo. el UJT “cae” a un voltaje más pequeño entre las terminales del emisor y la base 1. de su estado original de apagado hasta casi cero ohmios. Esta corriente mínima es llamada corriente de punto pico o corriente pico. Es un UJT conectado a un circuito sencillo. CE. siempre y cuando el RE no sea muy grande. Cuando el voltaje del emisor a la base 1 aumenta al voltaje pico Vp. y comienza a fluir una corriente pequeña del emisor. La (a) Diagrama esquemático de un oscilador de relajación 6 . aún si se alcanza Vp. no hay flujo de corriente E a B1. Estos resistores externos son más bien pequeños en comparación con la resistencia interna del UJT. Ya que esta corriente debe llegar a la terminal del emisor por medio de RE. por otra parte. La limitación de RE ocurre porque para disparar con éxito el UJT. no hay una demanda de corriente difícil de manejar de la fuente de energía de CD de B2 a B1. el UJT se revierte al estado de apagado. es fijada en su valor original de apagado. Los resistores externos generalmente son simbolizados como R2 y R1. el circuito emisor a base 1 permite que un capacitor externo se descargue a través del dispositivo. Una vez que esto pasa. es cargado a través de VE RE hasta que el voltaje del capacitor alcanza Vp. y el VEB1 debe aumentar nuevamente a Vp para poder disparar el dispositivo una segunda vez. rBB . Cuando se aplica potencia. La resistencia de rB2. como se muestra en la figura anterior. Cuando el flujo de corriente del emisor a la base 1 decae a un poco menos que la corriente de valle. Osciladores de relajación con UJT. Esta corriente mínima requerida es la llamada corriente de valle y se simboliza con IV. excepto que se agregan resistores a las terminales de B1 y B2 . Es conveniente pensar en rB1 como un resistor cuyo valor varía drásticamente. simbolizada por Ip. La cantidad VS . El voltaje del emisor a la base 1 nunca alcanza 0 voltios. la RE debe ser lo suficientemente grande para impedir VS − VV el paso de una corriente igual a IV.63. Esto causa la aparición de un pico de voltaje en la terminal de B1. De la misma manera. la corriente de valle. como se muestra en la figura siguiente (c). Hay dos razones para esto: 1. A medida que la η se desvía por encima o por debajo de 0. Por tanto. como se muestra: Un pico en sentido negativo ocurre en B2. y el consiguiente incremento de la corriente a través de R2. La cantidad VS – VV es el voltaje aproximado a través de RE después del disparo. permitiendo el flujo de corriente de la placa superior del CE a R1. La ecuación que da el máximo valor permisible de RE es sencilla de obtener aplicando la ley de OHM al VS − V p circuito del emisor: REmáx = Ip En la ecuación anterior. debido al flujo de corriente a través del cuerpo principal del UJT. Este incremento de la corriente causa una caída mayor entre R2. [(b) Curva característica de un UJT)]. Cuanto el UJT se dispara. creando un pico negativo en la terminal B2. del cuerpo del UJT y de R1. El diente de sierra no es lineal en su sentido ascendente. la resistencia interna rB1 casi cae a cero. La frecuencia de oscilación de un oscilador de relajación del tipo mostrado en la figura está dado de 1 1 modo muy aproximado por f = = T RE CE La ecuación anterior es bastante exacta. el voltaje del emisor a tierra cae aproximadamente a VV (despreciando el voltaje a través de R1). pues el UJT no será capaz de dispararse. La ecuación que expresa el valor mínimo de RE es REmín = IV que es la ley de OHM aplicada al resistor del emisor. esto es. Esto sucede porque la caída repentina de rB1 causa una caída también repentina en la resistencia total entre VS y tierra.representación gráfica de Ip se puede ver en la curva característica vista anteriormente. la parte inferior de la forma de onda no es exactamente de cero voltios. VS representa el voltaje de la fuente de CD. RE. como se indica en la curva característica. Esto es cierto pues. no debe ser demasiado grande. De aquí se infiere que el UJT tampoco debe ser capaz de drenar la suficiente corriente de emisor a través de RE. siempre y cuando el UJT tenga una η cercana 0. Recuerde que la razón por la que un UJT se apaga es que el capacitor CE se descarga al punto en el que ya no se puede entregar una corriente al emisor igual a IV. En la terminal del emisor ocurre una onda en la forma de diente de sierra.Vp es el voltaje disponible a través de RE en el momento del disparo. También.63. pues el capacitor no se carga a una razón constante. 2. la ecuación 7 . al disparo. y por último a tierra. hay un límite para el tamaño mínimo de RE para asegurar el apagado del UJT RE después del disparo. sólo VV. siempre hay un circuito completo por el que puede fluir corriente entre la terminal de la fuente de CD. presentada en la figura (d). a través de R2. lo que generalmente es el caso. Vimos antes que en un oscilador de relajación. Siempre hay una caída de voltaje a través de R1. por lo que la ecuación es válida. Si η=0. La frecuencia es igual al recíproco del período. el período total de las oscilaciones es igual a RECE.anterior se vuelve menos exacta. Los osciladores de relajación pueden hacerse estables a la frecuencia con una variación de 1% sobre el mismo rango de temperatura. o en otras palabras tc arg a = RE C E Dado que el disparo y el apagado subsecuente son ambos muy pequeños en comparación con el tiempo de carga. esto se logra colocando un potenciómetro en serie con RE. por lo el voltaje entre los terminales de base VB2B1.63. si se ajusta adecuadamente el R2 de la figura (a). Una forma intuitiva de percibir este efecto. Esto requiere un tiempo de carga de una constante de tiempo. es recordar que un circuito RC se carga hasta el 63% de su cambio de voltaje en una constante de tiempo. Puede lograrse que ambos efectos se cancelen si se seleccionan R2 adecuadamente. el CE debe cargarse a aproximadamente el 63% del VS. para poder disparar el UJT. Si Vp es constante. Por tanto VB2B1 se vuelve mayor a medida que η disminuye. Vp se mantiene constante. Los circuitos osciladores de relajación con UJT contienen algún tipo de ajuste fino si se desea una frecuencia de oscilación precisa. variando menos del 19% en un rango operativo de –50ºC a +125ºC en los UJT de alta calidad. tiende a aumentar a mayor temperatura. aumenta con los aumentos de temperatura debido a que rBB se vuelve una parte mayor de la resistencia total entre VS y tierra. 8 . la frecuencia de oscilación también es constante. pues CE siempre tendrá que cargarse al mismo voltaje para disparar el UJT. sin importar la temperatura. La razón de inactividad tiende a decrecer con el aumento de temperatura. Bajo estas circunstancias. El resistor externo R2 se mantiene constante con los cambios de temperatura. La razón de inactividad de un UJT se mantiene bastante estable con los cambios de temperatura. mientras la resistencia interna total rBB.