1.- Objetivos
Comprobar experimentalmente el disparo de un tiristor con elementos discretos y este está conectado a una carga.
circuitos de activación activación de un tiristor y observar las las ventajas ventajas y desventajas desventajas de Armar circuitos cada uno de ellos.
2.- Introducción Los tiristores son sumamente populares en el control de potencia en cargas resistivas e inductivas como motores, solenoides, calefactores, etc. Comparados con los dispositivos equiv equivale alente ntes s mecán mecánico icos s como como son los relés, relés, los tirist tiristore ores s ofrec ofrecen en mayor mayor fiabil fiabilida idad, d, mejore mejores s prest prestaci acion ones es y meno menorr costo costo.. na de las aplic aplicaci acion ones es más más t!pica t!picas s de uso doméstico es el regulador de lu". #n cuanto a motores el control de velocidad se $a reali"ado en base a %C& en mayor medida que en '&(AC. A primera vista, el '&(AC presenta mayores ventajas ventajas debido a su simetr!a, lo que le confiere ciertas ventajas frente al %C& que )nicamente conduce en un semiperiodo. %in embargo, el '&(AC tiene unas caracter!sticas dv*dt inadecuadas para el control de motores y es dif!cil la reali"ación de circuitos de control simétricos. +tra aplicación es el control de calor en una $abitación empleando un sensor de temperatura. #ste control puede ser bien utili"ando una fuente de calor o bien usando un ventilador. #n esta experiencia se anali"aran dos formas de disparar- o activar un tiristor usando elementos discretos.
3.- Fundamento Teórico 3.1 Funcionamiento del tiristor: La estructura f!sica base de los miembros de la familia de los tiristores está formada por cuatro capas de semiconductores y / como se ilustra en la 0igura 1.2, figura donde también se $a incluido el s!mbolo del %C& por ser el dispositivo más representativo de la familia.
n tiristor, o con mayor precisión, un %C& puede conducir solo cuando su ánodo es positivo respecto al cátodo. ara pasar de la condición de corte a la de conducción, se requiere aplicar un pulso positivo de energ!a suficiente en el terminal de compuerta. 3ientras no se produ"ca el disparo, el %C& permanece en condiciones de bloqueo, tanto con tensiones ánodo 4 cátodo positivas como negativas. Con el ánodo positivo respecto al cátodo, el %C&, si bien se encuentra $abilitado a cambiar de estado, no conduce y la tensión aplicada es soportada por la juntura 51. Cuando el ánodo es negativo respecto del cátodo, el %C& se encuentra en una condición in$erente de no conducción y se mantiene as! a)n excitándolo. La tensión inversa es soportada por las junturas 56 y 527 sin embargo, la tensión de avalanc$a de 52 es peque8a y consecuentemente es 56 quien soporta la tensión aplicada y limita la corriente inversa de fuga. ara explicar el funcionamiento del %C&, se recurre a anali"ar un s!mil- resultante de desdoblar a las cuatro junturas de la figura 1.2 en dos transistores interconectados entre s!, en configuración de par complementario, y presentando en consecuencia una realimentación positiva. #ste modelo, representado en la figura 1.1, tiene valide" con el %C& bloqueado 9antes del disparo: y en el momento del encendido7 no vale cuando el %C& se encuentra conduciendo.
%in excitación, con (; < (;/ < =, planteando las ecuaciones de los transistores >2 y >1?
La suma (C+2@ (C+1 es en realidad una sola corriente de saturación inversa (C que tiene lugar en la juntura central 51. &eempla"ando y despejando (A se obtiene?
#n estado de bloqueo, el valor de alfa de un transistor es muc$o menor que la unidad, en consecuencia y en consecuencia, la corriente directa por el tiristor, (A no es más que una corriente inversa de saturación. ara que se estable"ca el estado de conducción,
y entonces
infinito y solamente es limitada por la carga en
serie con el %C&. Be igual manera, en términos de la ganancia
se obtiene?
&eempla"ando se obtiene?
#n la ecuación anterior si se toma en cuenta que?
reempla"ando se obtiene la ecuación anterior. #n estado de bloqueo
9"ona de corte de un transistor de silicio: y en conducción,
durante la excitación del tiristor,
es un n)mero mayor que la unidad, pero ya con
el tiristor conduce con (A que tiende a infinito. Ambas ecuaciones demuestran que el tiristor se puede encontrar en uno de sus dos estados posibles y que para pasar del estado de corte al de conducción, se debe alcan"ar la condición de ganancia igual a uno. %i a$ora se supone que ambas compuertas se encuentran excitadas, es decir con circulación de corrientes?
(gualmente?
reempla"ando (C2?
Bespejando ( y reempla"ando?
de donde?
La ecuación anterior, cuando no $ay excitación de compuerta queda reducida a la ecuación ya deducida cuando esta corriente es nula. La circulación de estas corrientes produce el inicio de la conducción realimentada positivamente, que al alcan"ar una ganancia igual a uno, lleva al tiristor a la condición de conducción, aunque desapare"ca el pulso inicial. n pulso en ; constituye el método más efectivo de encendido, mientras que un pulso en ;/ necesita de mayor energ!a para encender al tiristor, debiendo aplicarse un pulso negativo entre dic$a puerta y ánodo. /ormalmente solo se dispone de acceso a la compuerta vinculada con la capa 2, a excepción de los dispositivos ' 9rogrammable nijuntion '$iristors: que utili"an la compuerta ;/. Cabe aclarar, que si bien la inyección de portadores en la juntura 52 mediante una corriente positiva en el terminal de compuerta es la forma adecuada de producir el cambio de estado del tiristor, toda otra circunstancia que produ"ca un aumento de la corriente (cx o de alfa $asta alcan"ar la condición de ganancia igual a la unidad, puede también producir la conmutación del tiristor. #stas otras formas, que se anali"an posteriormente, son por lo general destructivas y no deben ser utili"adas como procedimiento de encendido, salvo sea expl!citamente admitido por el fabricante.
3.2 .- Estados del tiristor. n tiristor puede encontrarse en uno de los siguientes estados? Dloqueado con polari"ación inversa Dloqueado con polari"ación directa. Conducción. %e anali"an a continuación cada uno de estos estados y sus conmutaciones.
3.2.1.- Estado de Bloqueo Los tiristores permanecen indefinidamente en la condición de bloqueo, a menos que se les suministre la adecuada energ!a al terminal de compuerta, estando el tiristor bloqueado con polari"ación directa. #xcitar a un tiristor con polari"ación inversa no produce ning)n cambio de estado, con excepción de los '&(AC%, donde pulsos de cualquier polaridad pueden producir el pasaje del estado de conducción al de corte sin importar la polaridad de la tensión bloqueada.
3.2.2.- Encendido Cabe destacar que en los tiristores, el pasaje de corte a conducción, es irreversible por su naturale"a de proceso de realimentación positiva. #n ambientes eléctricos ruidosos, por la presencia de interferencias electromagnéticas o debido a las capacidades parásitas existentes en toda juntura inversamente polari"ada, puede producirse la suficiente energ!a para dar origen a disparos indeseados. Los cambios de estado debidos a estos disparos indeseados, generalmente producidos por perturbaciones transitorias, producen el cambio permanente del estado del tiristor. Cambio de estado, que al producirse en un momento no deseado puede provocar el malfuncionamiento o fallas totales en el circuito donde se encuentra inserto el tiristor. ara ello siempre deben tomarse todas las precauciones necesarias para evitarlos. Beben preverse condiciones de montaje tales como mantener los terminales de compuerta muy cortos y tomar el retorno com)n directamente del cátodo. #s de práctica colocar capacidades del orden de los =,=2 a =,2 u0 entre los terminales de compuerta y cátodo. #ste capacitor adicionalmente aumenta la capacidad de soportar dv*dt al formar un divisor capacitivo con la capacidad ánodo compuerta. #n casos extremos debe considerarse la posibilidad de reali"ar un blindaje. ara que un tiristor pase del estado de bloqueo al de conducción, debe estar polari"ado directamente y ser excitado adecuadamente. %eg)n lo visto en el punto anterior, para que un tiristor condu"ca debe satisfacerse
. Como en un transistor de silicio,
su ganancia de corriente crece con el aumento de la corriente (#., esta condición puede producirse debido a diversas causas, siendo las más usuales las que se enumeran a continuación. Por efecto transistor ? es el método de uso normal para provocar la conducción de los tiristores. #n la compuerta del tiristor 9base ; del modelo de dos transistores: se inyectan portadores suplementarios a través de una se8al adecuada, provocando el fenómeno de cebado o encendido del tiristor.
Por efecto fotoeléctrico? la lu" puede cebar al tiristor al crear pares electrón4$ueco. #n este caso el tiristor tiene una ventana que deja pasar los rayos de lu" en la región de la puerta. #s un 0ototiristor. Ambos métodos mencionados son los utili"ados normalmente y el cambio de estado en el tiristor se produce dentro de los l!mites de operación dados por los fabricantes, garanti"ando su vida )til. %in embargo, existen otras causas que pueden provocar el disparo del tiristor. A continuación se enuncian las que pueden producir el disparo, pero provocando generalmente un da8o parcial o permanente en el dispositivo, exceptuando aquellos casos que sea un método permitido para alg)n miembro en particular de la familia de los tiristores. Por Tensión? Cuando aumenta la tensión ánodo4cátodo llega un momento en que la corriente de pérdida 9corriente inversa de saturación (+: toma un valor suficiente para producir la avalanc$a, estableciéndose la conducción del tiristor. #l disparo de un tiristor por superar su tensión de ruptura puede producir una elevada disipación instantánea de potencia de distribución no uniforme en el área del semiconductor. #sta disipación de potencia produce una elevación excesiva de la temperatura que puede destruir al tiristor. #n operación normal los tiristores no deben ser encendidos por este método. #n aquellos miembros de la familia preparados para este uso como los Biacs, se debe controlar el valor máximo de di*dt soportado or derivada de tensión? 'oda juntura tiene una capacidad asociada7 en consecuencia, si la tensión que se aplica entre ánodo y cátodo es de crecimiento brusco, la corriente a través de esta capacitor es? i
3.2.3.- Estado de Conducción #l tiristor es un dispositivo de control de tensión y no de corriente. na ve" en conducción, la magnitud de corriente a circular por el mismo la fija el circuito exterior. ara que una ve"
encendido el tiristor se mantenga en el estado de conducción al eliminarse la corriente de disparo de compuerta, se requiere que la corriente principal sea lo suficientemente elevada. #l menor valor de corriente de ánodo que debe establecerse antes de eliminar la corriente de compuerta se denomina corriente de cerrojo o de latc$. 3antener el valor de la corriente ánodo por encima de este valor es el )nico requerimiento para que el tiristor permane"ca conduciendo una ve" retirada la corriente de compuerta.
3.2..- !pa"ado La )nica forma de apagar a cualquier tiristor, con excepción de los ;'+, es reducir la corriente de ánodo por debajo del valor de la corriente de mantenimiento o de $old. or debajo de esta corriente se produce una realimentación positiva que lleva a ambos transistores al corte. Bebe recordarse que el modelo es solo válido para el tiristor apagado y en el momento del encendido o corte. Bel modelo parecer!a que cortocircuitar a la compuerta ser!a suficiente para iniciar este proceso, pero en la estructura real de un %C& el área de compuerta es solo una porción del área de cátodo y solo una muy peque8a porción de la corriente es derivada por este corto. %olo mediante una reducción de la corriente principal por debajo de la mencionada corriente de mantenimiento se asegura el comien"o de la acción regenerativa que lleva a ambos transistores del modelo al corte. 'anto la corriente de mantenimiento o de $old, como la antes mencionada corriente de cerrojo o de latc$, no son tampoco valores absolutos de los miembros de la familia de los tiristores, sino que se encuentran afectadas por la temperatura y por la impedancia de compuerta. 'ensiones inversas de compuerta también incrementan marcadamente los valores de ambas corrientes. or el contrario valores positivos reducen estos valores frente a los suministrados en las $ojas de datos ya que los mismos se dan generalmente para el terminal de compuerta abierto Adicionalmente, en el proceso de fabricación de tiristores reales, se utili"a un dise8o denominado s$orted emitter-, donde una resistencia es agregada entre las "onas de compuerta y de cátodo. La presencia de esta resistencia, al derivar corriente de la compuerta, produce un incremento en la corriente necesaria para producir el disparo, as! como de la corriente de latc$ y de la de mantenimiento. La principal ra"ón para incluir esta resistencia es mejorar la performance dinámica a altas temperaturas. %in esta resistencia de s$unt la corriente de pérdidas presente en la mayor!a de los tiristores de alta corriente iniciar!a por si solo el encendido a altas temperaturas. 'iristores de alta sensibilidad emplean un valor elevado de resistencia derivadora o bien no la incluyen. #n consecuencia sus caracter!sticas se ven radicalmente alteradas por la presencia de resistencias exteriores. #n cambio en tiristores del tipo s$orted emitter- la presencia de una resistencia exterior prácticamente no tiene efecto. La temperatura de las junturas es el factor que más afecta las caracter!sticas de los tiristores. 'emperaturas elevadas facilitan su disparo y el mantenimiento de la conducción. #n consecuencia en el dise8o de los circuitos de disparo debe preverse su correcto funcionamiento a la menor temperatura de operación, mientras que los circuitos relacionados al apagado o a prevenir falsos disparos deben dise8arse para su correcto funcionamiento a la mayor temperatura esperable. Las especificaciones de los tiristores están dadas generalmente a una temperatura de cápsula determinada y con condiciones de operación eléctricas donde la disipación es lo suficientemente baja como para asegurar que la temperatura de juntura no difiere significativamente de la de la cápsula. #s responsabilidad del dise8ador considerar los cambios en las caracter!sticas causadas por una operación distinta de la especificada en las caracter!sticas.
3.3.- Cur#as caracter$sticas % datos de manuales #n la figura H.2 se representa la curva caracter!stica de un tiristor 9%C&: en la que se aprecia la polari"ación directa e inversa de la tensión ánodo4cátodo FA, con sus cuatro regiones respectivas. ara el primer cuadrante se $an incluido dos gráficas, las
correspondientes a una baja corriente de gate y a corriente nula. #n estado de conducción directa, la caracter!stica se asemeja a una resistencia de bajo valor, mientras que con polari"ación inversa, una eventual conducción dar!a lugar a la destrucción del tiristor en la región de avalanc$a por tensión excesiva.
%e incluyen a continuación los parámetros más significativos, respetando los sub!ndices? 0? 90orIard: Birecto &? 9&everse: (nverso #n todos los casos, para asegurar su vida )til y una correcta operación, es indispensable no superar los valores máximos suministrados por el fabricante. 6.6.2.4 #stado de bloqueo directo F9D+:? 'ensión a la cual el tiristor pasa del estado de corte al de conducción para • un valor dado de la corriente de gate. F9D+:=? 'ensión a la cual el tiristor pasa del estado de corte al de conducción para • corriente de gate nula. FB9BC:? 'ensión de continua directa permitida al tiristor en el estado de bloqueo • directo. FB&37 3áxima tensión de pico repetitivo en condición de bloqueo directo para • E=J" senoidal. FB%37 3áxima tensión de pico no repetitivo en condición de bloqueo directo para • E=J" %enoidal. &37 Corriente de pérdidas a FB&3 en condición de bloqueo directo 9corriente de • pérdida directa:. 6.6.1.4 #stado de conducción
•
• • • • •
• • •
F0 9AF:? Falor medio de la tensión 9ca!da de tensión en bornes del tiristor: en conducción durante un semiciclo, e integrada en el ciclo completo. %e considera carga resistiva y un ángulo de conducción de 2K=G. (07 (0AF7 (0&3%7 Corrientes directas en el estado de conducción (07 valor instantáneo (0AF7 valor medio (0&3%7 valor efica" (0AF37 3áxima corriente directa media en el estado de conducción, correspondiente una tensión senoidal de media onda con una carga resistiva, a una determinada temperatura de cápsula 'c y una frecuencia entre H= y = J". (0&3%37 3áxima corriente directa efica" en el estado de conducción. (0%3? 3áxima corriente no repetitiva que puede soportar en un semiciclo de conducción 9sobrecorriente de cortocircuito durante 2= ms: (1t? #s una medida de la sobrecorriente en valor efica" 9no repetitiva: durante un semiciclo 9se utili"a para el cálculo de fusibles:7 su unidad es A1 seg.
6.6.6.4 #stado de bloqueo inverso F&&37 'ensión inversa máxima 9de pico: inversa que puede soportar el tiristor en • forma repetitiva para E=J" senoidal. F&%3? 'ensión inversa máxima 9de pico: inversa que puede soportar el tiristor, no • repetitiva para E=J" senoidal. F&D+9BC:? 'ensión de continua inversa permitida al tiristor en el estado de • bloqueo inverso. (&&37 Falor de la corriente en el tiristor bloqueado con tensión inversa F&&3 • 9corriente de pérdida inversa: 6.6.H.4 Condiciones de #ncendido • F;'? 'ensión cont!nua 9B.C.: necesaria para que circule (;'. F;&?'ensión máxima de pico inversa entre ;ate y Cátodo. • (;'7 Corriente continua 9B.C.: necesaria en el gate del tiristor para que lo $aga • conducir. i;0? Falor instantáneo de la corriente de gate directa. A este valor le corresponde • una tensión F;0. (J7 Corriente de mantenimiento. #s la corriente m!nima que requiere el tiristor para • mantenerse en conducción. or debajo de este valor se corta la conducción (L7 Corriente de enganc$e. #s la corriente m!nima necesaria para que el tiristor • entre en conducción y la mantenga, sin cortarse después que desapare"ca el pulso de gate. 9(LM(J: • ;7 3áximo valor instantáneo de potencia en el ;ate. ;AF? 3áximo valor de potencia media que puede ser disipada en la compuerta • sobre un ciclo completo.
4.- Equipos
2 +sciloscopio digital 2 3ult!metro digital 2 'iristor 1/6N o equivalente. 2 &+'+D+A&B 2 0oco con su soOect 9carga: 1 Condensadores de =.11u0, KKn0 y =.=1u0 1 &esistencias de 2= Ω y 1P de potencia
2 otenciómetro de 2== y 1P de potencia 1 (nterruptores %P 2 y %P1
Ω
5.- rocedimiento 2: Armar el circuito de la figura. " # 1
F O ! O
1*+
)1 2&3''(
22*,ac '*- 1**+
)p
" # 2
1: %eleccionar en & un valor de E= y cerrar el interruptor %P2 observando que sucede con la lámpara. 6: Luego de verificar las conexiones cerrar el interruptor %P1, observando lo que sucede con la lámpara y medir la tensión entre el ánodo y cátodo. H: &epetir el paso 1 y 6 para valores de & de Q= y 2==. E: Armar el circuito que se muestra en la figura y seleccione en & un valor de E=. " #
F O ! O
1*+
)1 2&3''(
22*,ac '*- 1**+
* .2 2 u F
)p
C1
: Conectar el +%C(L+%C+(+ entre los terminales del condensador y observe la forma de onda. Q: Luego de verificar que todas las conexiones están correctas cerrar el interruptor %P, observando la figura que aparece en el osciloscopio, lo que sucede con la lámpara , el tiempo que demora en prenderse y medir la tensión entre ánodo y cátodo del tiristor. K: &epetir los pasos y Q para valores de & de Q= y 2==. N: Anote en su $oja de datos todos los gráficos y valores de tensión medidos7 recuerde que la corriente y tensión son alternas, por lo tanto debe tener muc$o cuidado.
5.- !$%cu%os teóricos& ara reali"ar los cálculos teóricos se debe tener en cuenta lo siguiente?
Asumimos? ? =F V ¿ min
? 2mA
I ¿ min
/.1.1.- Circuito 1.1:
220 √ 2 sin
∗
(α )= 60 k ∗0.001 +0
Angulo de disparo? arcsin9=.2N1K:
0 11.11
/.1.2.- Circuito 1.2:
220 √ 2 sin α
∗
( )= 80 k ∗0.001+ 0
Angulo de disparo? arcsin9=.1EQ2:
0 1.(*
/.1.3.- Circuito 1.3:
220 √ 2 sin α
∗
( )=11 0 k ∗0.001 + 0
Angulo de disparo? arcsin9=.6E6E:
0 2*.*
X c =
−1 −1 j= j w∗C 377∗0.22 µ
X c =−12056 j
V GK tipico =1.5 V
/.2.1.- Circuito 2.1:
= I ∗(60000 −12056 j )
220
I =0.0035948 < 11.36 °
Foltaje en el capacitor?
V C = I ∗(−12056 j )
V C = 43.39 <−78.64 ° #n la malla inferior derec$a?
√ 2∗43.39∗sin ( α −78.64 ° )=1.5 #l ángulo de disparo
α es? α =¿ K=.=HR
/.2.2.- Circuito 2.2:
= I ∗(80000 −12056 j )
220
I =0.0027192 < 8.57 °
Foltaje en el capacitor?
V C = I ∗(−12056 j )
V C =32.78 <−81.43 ° #n la malla inferior derec$a?
√ 2∗32.78∗sin ( α −81.43 ° )=1.5 #l ángulo de disparo
α es? α =¿ K6.1KR
/.2.3.- Circuito 2.3:
= I ∗(110000 −12056 j )
220
I =0.001988 < 6.25 °
Foltaje en el capacitor?
V C = I ∗(−12056 j )
V C =23.96 <−83.74 ° #n la malla inferior derec$a?
√ 2∗23.96∗sin ( α −83.74 ° )=1.5 #l ángulo de disparo
α es? α =¿ K.1QR
'.- !uestionario 2. Jacer el fundamento teórico del experimento reali"ado. 1. SCuál es la diferencia entre el primero y segundo circuitoT 6. S>ué sucede con la lámpara cuando aumenta el valor de & en ambos circuitosT H. %eg)n su opinión cual de los circuitos de disparo es el recomendable Sor quéT E. S>ué dificultades encontró para reali"ar este experimentoT %ugiera que cambios se podr!an $acer para mejorarlo.
(.- )ib%io*ra+,a 4
;u!a de laboratorio de #lectrónica de otencia /( U 0(3
4
Articulo? #lectrónica de otencia U 'iristores? $ttp?**III.profesormolina.com.ar*tutoriales*enicaVpot.$tm
4
Articulo? #l 'iristor? $ttp?**III.electronicafacil.net*tutoriales*#l4tiristor.p$p
