OPERACIÓN DE LOS SCR.docx

SEPSecretaría de Educación Pública

SESDGESTINSTITUTO TECNOLÓGICO DE LÁZARO CÁRDENAS

GUTIERREZ MENDOZA ELIAS

ELECTRONICA ANALOGICA

UNIDAD IV DISPOSITIVOS DE POTENCIA

SCR, TRIAC Y OPTOACOPLADOR

ING. JOSE GUADALUPE ESPEJEL PANIAGUA

ING. ELECTROMECANICA

CD. Y PUERTO LÁZARO CÁRDENAS MICH, JUNIO DEL 2013.

OPERACIÓN DE LOS SCR

Un rectificador controlado de silicio (SCR, por sus siglas en inglés; Silicon-controlled rectifier) es un dispositivo de tres terminales utilizado para controlar corrientes grandes a una carga. Un SCR actúa en gran parte como un interruptor.

Cuando se enciende, se presenta una trayectoria de baja resistencia para el flujo de corriente del ánodo al cátodo; después actúa como un interruptor cerrado. Cuando se apaga, no puede fluir corriente del ánodo al cátodo, entonces actúa como un interruptor abierto. Debido a que se trata de un dispositivo de estado sólido, su acción de conmutación es muy rápida.

La compuerta controla la cantidad de tiempo transcurrido en cada estado. Si transcurre una pequeña cantidad de tiempo en el estado encendido, la corriente promedio transferida a la carga será pequeña, debido a que la corriente puede fluir de la fuente a través del SCR hacia la carga sólo durante una parte del tiempo relativamente corta. Si la señal de compuerta se cambia para provocar que el SCR esté encendido durante una parte de tiempo grande, entonces la corriente de carga promedio será mayor, debido a que ahora la corriente puede fluir de la fuente a través de SCR hacia la carga durante un tiempo relativamente más largo.

FORMAS DE ONDA SCR

Para describir el funcionamiento de un SCR son el ángulo de conducción y ángulo de retardo de encendido. El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo ca, durante los cuales el SCR está encendido. El ángulo de retardo de encendido es el número de grados de un ciclo ca que transcurren antes de que el SCR se encienda

Elias Gutiérrez Mendoza

En el momento en que el ciclo de ca comienza su alternancia positiva, el SCR se apaga. Por tanto, éste tiene un voltaje instantáneo a través de sus terminales de ánodo a cátodo equivalente al voltaje de alimentación. Dado que SCR está bloqueando totalmente el voltaje de alimentación, el voltaje a través de la carga (V carga) será cero durante este tiempo, la figura (a) muestra el voltaje de ánodo a cátodo (V AK) está descendiendo a cero después de cerca de un tercio del medio ciclo positivo; éste es el punto de 60º. Cuando V AK cae a cero, el SCR se habrá “disparado” o encendido. Por tanto, en este caso el ángulo de retardo de encendido es de 60º. Durante los siguientes 120º el SCR actúa como un interruptor cerrado sin voltaje a través de sus terminales. El ángulo de conducción es 120º.

La figura (b) muestra las mismas formas de onda para un ángulo de retardo de disparo diferente. En estas formas de onda, el ángulo de retardo de disparo es de cerca de 135° y el ángulo de conducción de 45° aproximadamente. La carga observa el voltaje de alimentación durante un tiempo mucho más pequeño en comparación con la figura (a). Como resultado, la corriente promedio es más pequeña.

CARACTERÍSTICAS DE COMPUERTA DE UN SCR

Un SCR es disparado por una pequeña ráfaga de corriente que se aplica en la compuerta. Esta corriente de compuerta (iG) fluye a través de la unión entre la compuerta y el cátodo, y sale del SCR en la terminal del cátodo. La mayor parte de los SCR necesitan una corriente de compuerta de entre 0.1 y 50 mA para dispararse (I ¿=0.1– 50mA). Dado que existe una unión pn estándar entre la compuerta y el cátodo, el voltaje entre esas terminales (V GK) debe ser ligeramente mayor a 0.6 V.

Una vez que un SCR se ha disparado, no es necesario continuar el flujo corriente de compuerta. Mientras la corriente continúe su flujo a través de las terminales principales, de ánodo a cátodo, el SCR permanecerá encendido. Cuando la corriente de ánodo a cátodo (I AK) cae por debajo de un valor mínimo, llamado corriente de retención, simbolizada IHO, el SCR se apagará. Esto ocurre a menudo cuando el voltaje de alimentación ca atraviesa cero hacia su región negativa. Para la mayoría de los SCR de tamaño mediano, IHO es aproximadamente 10 mA.

CIRCUITOS TÍPICOS DE CONTROL DE COMPUERTA


Éste es un ejemplo de un circuito de control de compuerta, en este circuito se aplica el uso de la misma fuente de voltaje para alimentar tanto al circuito de control de compuerta como a la carga. Cuando se abre el interruptor, es imposible tener un flujo de corriente al interior de la compuerta. El SCR nunca podrá encenderse, de forma que es esencial un circuito abierto en serie con la carga. Por tanto, la carga se desactiva. Cuando se cierra SW, existirá corriente hacia la compuerta cuando el voltaje de alimentación pase a positivo. El ángulo de retardo de disparo lo determina el valor de R2. Si R2 es baja, la corriente de compuerta será suficientemente grande para disparar el SCR cuando el voltaje de alimentación sea bajo. Por tanto, el ángulo de retardo de disparo será pequeño, y la corriente de carga promedio será grande. Si R2 es alta, el voltaje de alimentación debe ascender más alto para suministrar suficiente corriente de compuerta para disparar el SCR. Esto incrementa el ángulo de retardo de disparo y reduce la corriente de carga promedio. El propósito de R1 es mantener cierta resistencia fija en la terminal de la compuerta aún cuando R2 se ajuste a cero. Esto es necesario para proteger la compuerta de corrientes excesivas. R2 también determina el ángulo mínimo de retardo de disparo. En algunos casos se inserta un diodo en serie con la compuerta para proteger la unión compuerta-cátodo en contra de voltajes inversos altos.

En la figura (a), iG apenas alcanza a I ¿, la corriente de compuerta necesaria para disparar el SCR. Bajo esta circunstancia el SCR se dispara a 90º dentro del ciclo. Se puede ver que si iG fuera más pequeña, el SCR en lo absoluto se dispararía. Por tanto, los retardos de disparo por encima de 90º no son posibles con tal circuito de control de compuerta. En la figura (b), iG es un poco más grande. En este caso, iG alcanza a I ¿ relativamente temprano en el ciclo, lo que ocasiona que SCR se dispare antes.


Capacitores para retardar el disparo

El método más simple para mejorar el control de compuerta es agregar un capacitor al final de la resistencia de terminal de compuerta, como se muestra en la figura 4-8. La ventaja de este circuito es que el ángulo de retardo de disparo se puede ajustar más allá de los 90º. Esto se puede entender si nos centramos en el voltaje a través del capacitor C. Cuando la alimentación ca es negativa, el voltaje inverso a través del SCR es aplicado al circuito disparador RC, con lo que carga negativamente al capacitor en la placa superior y positivamente en la inferior. Cuando la alimentación ingresa a su medio ciclo positivo, el voltaje directo a través del SCR tiende a cargar a C en la dirección puesta. Sin embargo, la acumulación de voltaje en la nueva dirección se retrasa hasta que la carga negativa se elimine de las placas del capacitor. Este retraso en la aplicación de voltaje positivo en la compuerta se puede extender más allá del punto de 90º. Cuanto mayor sea la resistencia del potenciómetro, más tardará C en cargar positivamente en la placa superior y SCR menos en dispararse.


OPERACIÓN DE LOS TRIACS

Un triac es un dispositivo de tres terminales usado para controlar la corriente promedio que fluye a una carga. Un triac se diferencia de un SCR en que éste puede conducir corriente en cualquier dirección cuando está en ENCENDIDO.

Cuando el triac está en APAGADO, no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje aplicado externamente. En consecuencia el triac actúa como un interruptor abierto. Cuando el triac está en ENCENDIDO, existe una ruta de flujo de corriente de baja resistencia de una terminal hacia la otra, con la dirección del flujo dependiendo de la polaridad del voltaje externamente aplicado. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es más positivo en MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En cualquier caso el triac actúa como un interruptor cerrado.

Un triac se coloca en serie con la carga justo como un SCR, como esta figura muestra. La corriente promedio suministrada a la carga se puede variar mediante el cambio de la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en su estado ENCENDIDO. Si permanece una pequeña parte de tiempo en el estado ENCENDIDO, el flujo de corriente promedio durante muchos ciclos será bajo. Si una parte considerable del tiempo del ciclo transcurre en el estado ENCENDIDO, entonces la corriente promedio será alta. Un triac no está limitado a 180º de conducción por ciclo. Con la distribución de disparo apropiada, puede conducir durante 360º completos por ciclo. Por tanto, proporciona control de potencia de onda completa en lugar del control de potencia de media onda posible con un SCR. Los triacs tienen las mismas ventajas que los SCR y los transistores sobre los interruptores mecánicos. No tienen rebote de contacto, no forman arcos a través de contactos parcialmente abiertos, y operan mucho más rápido que los conmutadores mecánicos, por tanto producen un control de corriente más preciso.

FORMAS DE ONDA DEL TRIAC

Las formas de onda del triac son muy similares a las formas de onda del SCR a excepción de que pueden disparar en el medio ciclo negativo. La siguiente figura


muestra las formas de onda tanto del voltaje de carga como del voltaje de triac (a través de las terminales principales) para tres condiciones diferentes.

Las formas de onda de la figura (a) muestra el triac APAGADO durante los primeros 30º de cada medio ciclo; durante estos 30º el triac actúa como un interruptor abierto. En este lapso de tiempo el voltaje completo de línea cae a través de las terminales principales del triac, sin voltaje aplicado a la carga. Por tanto, no existe un flujo de corriente a través del triac o la carga. La parte del medio ciclo durante el cual esta situación existe se denomina ángulo de retardo de disparo. También en la figura (a), después de que han transcurrido 30º, el triac se dispara o se enciende, y se vuelve como un interruptor cerrado. En este instante el triac comienza a conducir corriente a través de sus terminales principales y de la carga, y continúa transportando corriente de carga durante lo que resta del medio ciclo. El ángulo de conducción en la figura (a) es de 150º.

La figura (b) muestra las mismas formas de onda con un ángulo de retardo de disparo más amplio. El ángulo de retardo es de 120º y el ángulo de conducción es de 60º en la figura (b). Dado que la corriente fluye durante una menor parte del ciclo total en este caso, la corriente promedio será menor que lo que fue para la condición de la figura (a). Por tanto, se transfiere menos potencia de la fuente a la carga.

Los triacs, como los SCR y como la mayoría de los demás dispositivos semiconductores, muestran variaciones notoriamente amplias en sus características eléctricas. Este problema es en especial evidente con los triacs debido a que a menudo sucede que los requerimientos de disparo son distintos para las dos polaridades diferentes de voltaje de alimentación. La figura (c) muestra las formas de onda que ilustran este problema. La forma de onda de triac de la figura (c) muestra un ángulo de retardo más pequeño en el medio ciclo positivo que en el medio ciclo negativo debido a la tendencia del triac de dispararse más fácilmente en el medio ciclo positivo.


CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS TRIACS

Cuando un triac está polarizado con un voltaje externo más positivo en MT2 (llamada polarización de terminal principal directa o positiva), por lo general se activa mediante un flujo de corriente de la compuerta hacia MT1. Cuando un triac está polarizado como lo muestra la figura (a), el disparo es idéntico al disparo de un SCR. La terminal G es positiva con respecto a MT1, lo que ocasiona que la corriente de disparo fluya hacia el interior del dispositivo en la terminal de compuerta y hacia fuera del dispositivo en la terminal MT1. El voltaje de compuerta necesario para disparar un triac se simboliza como V ¿, la corriente de compuerta necesaria para el disparo se simboliza como I ¿. La mayoría de los triac de tamaño medio tienen un V ¿ de aproximadamente 0.6 a 2.0 V y un I ¿ de 0.1 a 20 mA.

Cuando el triac está polarizado más positivamente en MT1 (llamada polarización inversa o negativa de terminal principal), como muestra la figura (b), a menudo el disparo se logra enviando la corriente de compuerta al interior del triac en la terminal MT1 y fuera del triac en la terminal G. El voltaje de compuerta será negativo con respecto a MT1 para lograr esto. Las polaridades de voltaje y direcciones de corriente para invertir la polarización de terminal principal se ilustran en la figura (b).

Otras características eléctricas importantes que aplican a los triacs son la corriente rms de terminal principal máxima permitida, I Trms y el voltaje de rompimiento, V DROM, que es el voltaje pico de terminal principal más alto que el triac puede bloquear en cualquier dirección. Si el voltaje instantáneo aplicado de MT2 a MT1 debe exceder V DROM, el triac entrará en rompimiento y comienza a dejar pasar la corriente de terminal principal. Esto no daña al triac, pero representa una pérdida de control de compuerta. A fin de evitar un rompimiento, el triac debe tener un valor nominal V DROM mayor que el valor pico del voltaje ca que acciona el circuito. Los valores nominales de V DROM para los triacs son 100, 200, 400 y 600 V. Para muchos fabricantes la secuencia disponible de valores nominales I Trms es 1, 3, 6, 10, 15 y 25 A.


Circuitos de control de compuerta RC

El circuito de disparo de triac más simple se muestra en la figura (a). En la figura (a), el capacitor C se carga a través de R1 y R2 durante la parte del ángulo de retardo de cada medio ciclo. Durante un medio ciclo positivo, MT2 es positivo con respecto a MT1 y C se carga positivo en su placa superior. Cuando el voltaje en C se acumula hasta un valor suficientemente grande para suministrar suficiente corriente de compuerta (I ¿) a través de R3 para disparar el triac, éste se dispara. Durante un medio ciclo negativo, C se carga negativo en su placa superior. Nuevamente, cuando el voltaje a través del capacitor es lo bastante grande para suministrar corriente suficiente de compuerta en la dirección inversa a través de R3 para disparar el triac, éste se dispara. El ritmo de carga del capacitor C se establece por medio de la resistencia R2. Para una R2 grande, la velocidad de carga es lenta, lo que produce un retardo de disparo largo y una corriente de carga promedio pequeña. Para una R2 pequeña, la velocidad de carga es rápida, el ángulo de retardo de disparo es pequeño y la corriente de carga es alta.


OPTOACOPLADOR

El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emite luz, ilumine el fototransistor y conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.

La corriente de salida IC del optocoplador (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes se llama razón de transferencia de corriente (CTR) y depende de la temperatura ambiente.

A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED)

La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor) están 100% aislados y la impedancia de entrada es muy grande (1013 ohms típico)

El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar ésta.

Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores. De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no hay necesidad de mantenimiento.

La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.



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