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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD.
CUAUHTÉMOC
ELECTRÓNICA II
Práctica 2
SCR Silicon Controlled Rectifier
ALUMNOS
Holguín Moctezuma Luis E. 09610390
Leyva Zúñiga Jorge R. 08610371
Núñez Cruz Marylé 09610452
Dr. David Sáenz Zamarrón
Cd. Cuauhtémoc, Chih., Junio de 2012
i
CONTENIDO
Índice de figuras iii
Índice de tablas iv
I. Introducción………………………………………………………………
………..
1
II. Marco
teórico………………………………………………………………………
2
2.1 Definición………………………………………………………………………. 2
2.2 Estructura interna………………………………………………………….... 3
2.3 Disparo de puerta…………………………………………………..……….. 3
2.4 Tensión de entrada………………………………………………..…………. 4
2.5 Reiniciar el SCR…………………………………………………………...…… 5
2.6 Curva característica…………………………..…..…………..…………….. 5
III. Objetivo…..
…………………………………………………………………………
6
IV. Material y
equipo………………………………………………………………...
7
V. Metodologí
a………………………………………………………………………..
10
VI. Desarrollo………………………………………………………………………..
…
12
5.1Tensión de disparo………………………………………………………….. 12
5.2 Corriente de disparo………………………………………………………… 13
5.2 Corriente de
mantenimiento………………………………………………..
13
VII. Resultado
s………………………………………………………………………….
15
VIII. Conclusiones…………………………………………………………………...
….
17
Bibliografía……………………………………………………………………….
…………
18
ii
Anexo A Datasheet parcial del SCR
C106D…………………………………………
19
Índice de figuras
Figura 2.1 Esquema de un SCR….………….………..………………………….
……
2
Figura 2.2 Estructura básica del SCR……...
…………………………………………
3
Figura 2.3 Circuito básico del
SCR……………………………………………………
4
Figura 2.4 Curva
característica………………………………………………………..
5
Figura 5.1 Circuito del SCR…………………………………………………………… 10
Figura 6.1 Simulación del
SCR…………………………………………………………
12
Figura 6.2 Circuito armado…………………………………………………………… 13
Figura 6.3 Corriente de mantenimiento………..
…………………………………..
14
Figura 7.1 Corriente de disparo del SCR C106D
…………………………………
16
Figura 7.2 Voltajes de disparo del SCR C106D ………………………..
…………
16
Figura 7.3 Corrientes de mantenimiento del SCR 16
iii
C106D………………………
Índice de tablas
Tabla 4.1 Componentes
electrónicos………………………………………………...
7
Tabla 4.2 Equipos y
software…………………………………………………………..
9
Tabla 7.1 Resultados de la
simulación……………………………………………....
15
Tabla7.2 Resultados del circuito físico…………………………………………… 15
iv
I. Introducción
Tiristor es el nombre genérico que se da a una familia entera de
semiconductores construidos con cuatro o más capas de material
semiconductor y tres o más junturas pn. El más sencillo de ellos es el PNPN.
Aunque a toda la familia de semiconductores de cuatro capas se les llama
Tiristor, es al SCR al que normalmente se le aplica el nombre de Tiristor, siendo
también el más usado y desarrollado.Como lo indica la terminología, el SCR es
un rectificador construido de silicio que cuenta con una tercera terminal para
efectos de control. Se eligió el silicio debido a sus capacidades de alta
temperatura y potencia(Boylestand & Nashelsky, 2003).
Como todos los componentes de electrónica el SCR tiene varias características
de funcionamiento que deben comprenderse y conocerse para lograr un alto
desempeño de la aplicación al que será aplicado.
Las características del tiristor (en particular su gran capacidad de manejo de
potencia) aseguran que siempre tendrán importantes aplicaciones en la
electrónica de potencia. Por tanto, el diseñador y usuario de dispositivos de
electrónica de potencia deben tener conocimientos prácticos de estos
dispositivos (Ned, Undeland, & Robbins, 2004).
Por ejemplo si algo sucede dentro de la fuente de alimentación que cause que
su tensión de salida se eleve, los resultados pueden ser devastadores. Esto se
debe a que algunas cargas, como circuitos integrados muy caros, no pueden
soportar tensiones de alimentación excesivas sin ser destruidos. Una de las
aplicaciones más importantes del SCR es la protección de cargas delicadas y
caras contra sobretensiones de la fuente de alimentación(Ned, Undeland, &
Robbins, 2004).
II. Marco Teórico
Los SCR pertenecen a uno de los tipos más antiguos (1957, en los laboratorios
de investigación de General Electric) de dispositivos de potencia de estado
sólido y todavía tienen la capacidad más alta de manejo de potencia. Tienen
una construcción única de cuatro capas y son interruptores de bloqueo.
El SCRes el tiristor que más se usa. Puede conmutar corrientes muy elevadas y,
por ello, se emplea en control de motores, hornos, sistemas de aire
acondicionado y calentadores de inducción(Malvino, 2000).
2.1 Definición
El SCR es un controlador de silicón rectificador, comúnmente usado en circuitos
electrónicos por su economía, cuenta con 3 terminales: ánodo, cátodo y puerta
de disparo, como el que se muestra en la figura 2.1
Figura 2.1Esquema de un SCR
El SCR resulta mucho más útil que un diodo de cuatro capas porque el disparo
de puerta es más sencillo que el disparo mediante tensión de cebado(Malvino,
2000).
2
2.2 Estructura interna del SCR
La figura 2.2 muestra la estructura interna de un SCR, en ella se pueden verlas
letras "N" y "P" que se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro
de las diferentes regiones del tiristor. La mayoría de los transistores bipolares
usados hoy en día son PNPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor
que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores
corrientes y velocidades de operación.
Figura 2.2Estructura básica del SCR
2.3 Disparo de puerta
Como la puerta de un SCR está conectada a la base de un transistor interno, se
necesitan al menos 0,7 V para disparar un SCR. Las hojas de características
indican esta tensión como tensión de disparo, V ¿.En lugar de especificar la
resistencia de entrada de la puerta, algún fabricante proporciona la mínima
corriente de entrada necesaria para que el SCRconduzca. Lashojas de
características indican esta corriente con el nombre de corriente de disparo, I ¿.
Por ejemplo la hoja de características de un 2N4441 da una tensión y una
corriente de disparo de:
V ¿=0,75V
3
I ¿=10mA
lo que significa que la fuente que alimenta la puerta del 2N4441 tiene que
proporcionar 10 mA a 0,75 V para cebar el SCR(Malvino, 2000).
2.4 Tensión de entrada
Un SCR como el que se muestra en la figura 2.3 posee una tensión depuertaV G.
Cuando esta tensión es mayor queV ¿ , el SCR conducirá y la tensión de salida
caerá desde +Vcca un valor bajo. Algunas veces se usa unaresistencia de
puerta, como se muestra aquí. La resistencia limita la corriente de puerta a un
valor seguro. La tensión de entrada que se necesita para disparar un SCR tiene
que ser mayor que
V ¿=V ¿+¿ I ¿RG¿(2-1)
En esta ecuación, V ¿ e I ¿son la tensión y corriente de disparo necesarias para
la puerta del dispositivo. Estos valores se encuentran en las hojas de
características. Cuando se tiene el valor de RG, el cálculodeV ¿es directo. Si no
se usara una resistencia de puerta, RGes la resistencia Thevenin del circuito
que exita la puerta. A menos que se satisfaga la ecuación 2-1, el SCR no se
puede cerrar(Malvino, 2000).
4
Fig. 2.3 Circuito básico del SCR
2.5 Reiniciar el SCR
Después que el SCR se ha disparado permanece así incluso aunque se
reduzca V ¿ a cero. En este caso, la tensión de salida se mantiene baja
indefinidamente. La única forma de reiniciar el SCR consiste en reducir su
corrientea un valor menor que la corriente de mantenimiento; esto se hace
normalmentereduciendoVcc a un valor bajo. Como la corriente de
mantenimiento circula a través de la resistencia de carga de la figura 2.3, la
tensión de alimentación para que el SCR conduzca tiene que ser menor que
V CC=0,7V + IH RL (2-2)
2.6 Curva característica
En la figura 2.4 se muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y
la corriente de compuerta. La interpretación directa de la curva característica
nos dice que cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de
ánodo también lo es.
Figura 2.4Curva característica
Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VB) el tiristor no se dispara.
Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el
ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así
como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes
5
de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de
puerta, ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de éste
(Bolyestand & Nashelsky, 1997).
III. Objetivo
Entender el funcionamiento básico de un SCR en forma simulada y
real,lográndolo disparar y comprobar la caída de voltaje ánodo-cátodo. Una vez
realizado el disparo se debe encontrar el voltaje y corriente mínimas
requeridas para el disparo mediante la precisión en la subida de corriente
realizada con un potenciómetro;también se deberá encontrar la corriente de
mantenimiento, es decir, la corriente mínima que debe existir entre ánodo-
cátodo para mantener la activación del SCR causada por el disparo.
6
IV. Material y Equipo
A continuación se presentan los componentes e instrumentos necesarios para
el desarrollo de la práctica. La tabla 4.1 presenta una descripción de los
componentes y la Tabla 4.2 muestra los equipos y software necesarios para
comprobar los parámetros de encendido y apagado del SCR.
Tabla 4.1Componentes electrónicos
Componente Descripción Figura
Rectificador
Controlado de
Silicón SCR
C106D
Un SCR actúa a semejanza de un
interruptor. Es un dispositivo
semiconductor biestableformado por tres
uniones pn con la disposición pnpn. Está
formado por tres terminales, llamados
Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción
entre ánodo y cátodo es controlada por el
terminal de puerta.
Es un elemento unidireccional (sentido de
la corriente es único). Dado que es un
dispositivo de estado só1ido, la acción de
conmutación de un SCR es muy rápida.
Además de ser rectificador y amplificador
a la vez. La alimentación de voltaje es
comúnmente una fuente de 60-Hz de CA,
pero puede ser de cd en circuitos
especiales.
7
Resistencias
(1 de 4.7 KΩ
1 de 220 Ω)
Oposición que encuentra la corriente a su
paso por un circuito eléctrico, atenuando
el libre flujo de circulación de las cargas
eléctricas o electrones. En está ocasión
se utilizaran resistencias de ¼ w de
potencia, la tolerancia es del 5%.
Potenciómetros
(1 de 1MΩ
1 de 100 Ω)
Un potenciómetro es un resistor cuyo
valor de resistencia es variable. De esta
manera, indirectamente, se puede
controlar la intensidad de corriente que
fluye por un circuito si se conecta en
paralelo, o la diferencia de potencial al
conectarlo en serie. Éste dispositivo tiene
un contacto móvil que se mueve a lo largo
de la superficie de una resistencia de
valor total constante. Este contacto móvil
se llama cursor o flecha y divide en dos
resistencias cuyos valores son menores y
su suma tendrá siempre el valor de la
resistencia total.
Diodo Led
Light-EmittingDiode: "diodo emisor de
luz", es un diodo semiconductor que emite
luz. Tiene un voltaje de operación desde
1.5 V a 3.8 V aproximadamente y la gama
de corrientes que circulan por él va de los
10mA a 20mA dependiendo del color.
8
9
Tabla 4.2Equipos y software
Elemento Descripción Imagen
Simulador
ISISProteus 7
El Programa ISIS,
IntelligentSchematic Input System
(Sistema de Enrutado de Esquemas
Inteligente) permite diseñar el plano
eléctrico del circuito que se desea
realizar con componentes muy
variados, desde simples resistencias,
hasta alguno que otro
microprocesador o microcontrolador,
incluyendo fuentes de alimentación,
generadores de señales y muchos
otros componentes con prestaciones
diferentes.
Multímetro
Es un instrumento eléctrico para
medir directamente magnitudes
eléctricas activas como corrientes y
potenciales (tensiones) o pasivas
como resistencias, capacidades y
otras. Las medidas pueden
realizarse para corriente continua o
alterna y en varios márgenes de
medida cada una.
Fuente de
Voltaje
(1 de 0V - 20V
1 de 5V )
Es un dispositivo que convierte la
tensión alterna de la red de
suministro, en una o varias
tensiones continuas, que alimentan
los distintos circuitos al que se
conecta.
V. Metodología
La comprobación de las características generales del SCR C106D puede
llevarse a cabo más fácilmente si se obedece a la siguiente metodología:
a) Armar el circuito de la figura 5.1 en ISIS Proteus 7.
Figura 5.1Circuito del SCR
b) Obtener la tensión de disparo cuando RV1 está en valor máximo y RV2
en valor mínimo, entonces se observa que Vak mantiene una tensión
igual o muy similar a B2 que se registra en V2; lo que indica que el SCR
se encuentra apagado. Al comenzar a variar RV1 llegará un momento en
que Vak tendrá una caída de tensión muy grande lo que indica que el
SCR se ha disparado, una vez en conducción el SCR mantiene ese
estado, incluso aunque desaparezca el impulso inicial de puerta, hasta
que el circuito externo baje la corriente de ánodo por debajo de la IH. La
tensión que se registró V1 en él un momento antes de la caída de voltaje
es la tensión de disparo.
c) La corriente de disparo, I ¿, es aquella que queda registrada en A1
cuando Vak recibió la caída de voltaje en el paso anterior, es decir,
estas 2 mediciones deben llevarse a cabo al mismo tiempo.
10
d) Para obtener la corriente de mantenimiento debe estar RV2 en valor
mínimo y el SCR disparado, en ese momento se empieza a aumentar
lentamente el valor de RV2, hasta que Vak registre un aumento de
tensión como el de B2 en V2; la corriente de mantenimiento será la
última corriente que registró A2 antes del aumento de tensión en Vak
que se registra en V2.
e) Todos los parámetros obtenidos en los incisos b, c y d, deberán ser
ratificados para diferentes valores de Vak.
f) Montar en una tablilla de protoboard el circuito de la figura 5.1 y repetir
los incisos b, c, d y e.
g) Una vez obtenidos los valores de tensión de disparo, corriente de
disparo y corriente de mantenimiento en la simulación y el circuito físico
se analizarán los resultados obtenidos con la hoja de datos del SCR
C106D.
11
VI. Desarrollo
Como se explicó en el capítulo 5, la comprobación de las características del
SCR debe hacerse en un software de simulación (ISIS Proteus 7) y en un
circuito físico con diferentes valores de Vak. A continuación se hace una
descripción de dichas características en la simulación y el circuito físico.
5. 1 Tensión de disparo
La figura 6.1 muestra la simulación en ISIS Proteus 7. En la cual se aprecia el
SCR al centro, conectado a la izquierda el circuito de disparo y el
potenciómetro para regular los valores de tensión y corriente de disparo; al
lado derecho el circuito ánodo - cátodo también con su respectivo
potenciómetro para la corriente de mantenimiento.
Figura 6.1Simulación del SCR
En la figura 6.2 se muestra el circuito armado en físico, que a diferencia del
circuito anterior tiene un led para indicar el apagado y encendido del SCR, sin
12
embargo, debe ser retirado para realizar las mediciones de las características
del SCR.
Figura 6.2Circuito armado
Con RV1 en valor máximo, RV2 en valor mínimo y el impulso de puerta activo
se empieza a aumentar el valor de RV1 hasta que el voltaje de Vak
experimente un descenso muy grande; el valor de tensión registrado en A1 en
el instante de este cambio de tensión en Vak, es la tensión de disparo.
5. 2 Corriente de disparo
Esta característica debe ser comprobada simultáneamente con la tensión de
disparo, es decir, debe existir un multímetro en serie con RV1 y el switch de
compuerta. Y en el momento de la caída de voltaje de Vak la corriente
registrada en este multímetro será la corriente de disparo.
5.3 Corriente de mantenimiento
Una vez que el SCR esta disparado se empieza a aumentar lentamente el valor
de RV2, hasta que Vak tenga un aumento de tensión muy grande (similar a
V2); la corriente que se registró un instante antes de este aumento de tensión
es la corriente de mantenimiento. En la figura 6.3 se muestran valores de IH
obtenidos en el circuito físico para los diferentes valores de Vak.
13
Figura 6.3Corriente de mantenimiento
NOTA: El SCR que se utiliza en la simulación es diferente al utilizado en el
circuito físico, esto debido a la ausencia del componente en el software de
simulación.
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VII. Resultados
La tabla 7.1 muestra los resultados obtenidos en ISISProteus 7; en ésta
ocasión se utilizan diferentes valores de voltaje en ánodo-cátodo y con la
ayuda de los potenciómetros se precisarán voltajes de disparo, corrientes de
disparo y la corriente de mantenimiento.
Tabla 7.1Resultados de la simulación
Fuente de
DisparoVak
Corriente de
Disparo, I ¿
Tensión de
Disparo, V ¿
Corriente de
mantenimiento, IH
5 V 19 V 1.75 mA 0.62 V 7.48 mA
5 V 16 V 2.09 mA 0.62 V 7.48 mA
5 V 10 V 2.09 mA 0.62 V 7.47mA
Los resultados obtenidos mediante las mediciones del circuito físico con el SCR
C106D se encuentran en la tabla 7.2, en ésta se aprecian las corrientes y
voltajes de mantenimiento y disparo.
Tabla 7.2Resultados del circuito físico
Fuente de
DisparoVak
Corriente de
Disparo, I ¿
Tensión de
Disparo, V ¿
Corriente de
mantenimiento, IH
5 V 19 V 0.033 mA 0.56 V 0.26 mA
5 V 16 V 0.035 mA 0.57 V 0.27mA
5 V 10 V 0.037 mA 0.58 V 0.28 mA
Si se observa la figura 7.1, donde se muestra la corriente de disparo del SCR,
se comprueba que los valores obtenidos en el circuitose encuentran dentro del
rango de 0.20 mA a 5.0 mA, dependiendo del valor de Vak.
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Figura 7.1Corriente de disparo del SCR C106D
Para los valores de tensión de disparo obtenidos en el circuito (véase tabla
7.2), se observa que están dentro del rango de aceptación de la tensión de
disparo.
Figura 7.2 Voltajes de disparo del SCR C106D
La figura 7.3 muestra una sección de la tabla de las características eléctricas
de la hoja de datos del SCR C10D, donde se comprueba que los valores de la
corriente de mantenimiento obtenidos en el circuito son aceptables.
Figura 7.3 Corrientes de mantenimiento del SCR C106D
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VIII. Conclusiones
El SCR es un dispositivo electrónico muy utilizado para muchas aplicaciones
que se extienden desde rectificación, conmutación, inversión de corriente,
entre otros; por lo que es importante conocer los valores de tensión de disparo,
V ¿ ;de corriente de disparo, I ¿; y corriente de mantenimientoque determinan el
encendido y apagado del SCR, pues ayudarán a determinar los rangos de
corrientes y tensiones que son necesarios para el correcto funcionamiento del
SCR.
El hecho de que la conducción pueda ser controlada por la señal de puerta
presenta una gran ventaja sobre otros dispositivos, como los diodos. Lo que
hace al SCR el tiristor más usado en circuitos de electrónica.
Bibliografía
17
Bolyestand, R. L., & Nashelsky, L. (1997). Fundamentos de Electrónica. México. Prentice-Hall.
Boylestand, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México. Pearson Educación.
Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. Madrid. McGraw Hill.
Ned, M., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2004). Electrónica de Potencia. México. Mc Graw Hill.
Anexo ADatasheet parcial del SCR C106D
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19
20
