ELECTRONICA DE POTENCIA

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1 ELECTRONICA DE POTENCIA Compilación y armado: Sergio Pellizza Dto. Apoyatura Académica I.S.E.S. Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia. La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. 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. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción. Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este capítulo de los tipos más significativos: Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac EL DIODO SHOCKLEY El diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico (I H ).

2 Figura 10.1: Construcción básica y símbolo del diodo Shockley CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDAD Para valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, sólo habrá una corriente muy pequeña hasta que se alcance la tensión de ruptura (V RB ). Figura 10.2: Característica I-V del diodo Shockley En polarización positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensión V B0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conducción, su tensión disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la práctica, por los componentes externos. La conducción continuará hasta que de algún modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimiento I H. La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarización directa tiene un límite impuesto por el propio componente (I MAX ), que si se supera llevará a la destrucción del mismo. Por esta razón, será necesario diseñar el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parámetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo es V RB, ya que provocaría un fenómeno de avalancha similar al de un diodo convencional EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSION

3 En esta aplicación, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensión de conducción de 10 V. Por tanto, si la tensión de la fuente es correcta, es decir, de 9 V, el diodo está abierto, no circula corriente por él y la lámpara estará apagada. Pero si la tensión de la fuente supera por un fallo en su funcionamiento una tensión de 10 V, el diodo entra en saturación y la lámpara se enciende. Permanecerá encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensión vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido un fallo. La única forma de apagar la lámpara sería desconectar la alimentación. Figura 10.3: Detector de sobretensión 10.2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo, cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor. Figura 10.4: Construcción básica y símbolo del SCR CARACTERISTICA TENSION INTENSIDAD

4 Tal y como se aprecia en la Figura 10.5, la parte de polarización inversa de la curva es análoga a la del diodo Shockley. Figura 10.5: Característica del SCR En cuanto a la parte de polarización positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensión en el terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo y cátodo cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rápidamente, quedando limitada en la práctica por componentes externos. Podemos ver en la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarán la destrucción del SCR si se superan: V RB e I MAX. V RB (Reverse Breakdown Voltage) es, al igual que en el diodo Shockley, la tensión a partir de la cual se produce el fenómeno de avalancha. I MAX es la corriente máxima que puede soportar el SCR sin sufrir daño. Los otros dos valores importantes son la tensión de cebado V BO (Forward Breakover Voltage) y la corriente de mantenimiento I H, magnitudes análogas a las explicadas para el diodo Shockley METODOS DE CONMUTACION Para que el dispositivo interrumpa la conducción de la corriente que circula a través del mismo, ésta debe disminuir por debajo del valor I H (corriente de mantenimiento). Hay dos métodos básicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupción de corriente anódica y conmutación forzada. Ambos métodos se presentan en las figuras Figura 10.6 y Figura 10.7.

5 Figura 10.6: Apertura del SCR mediante interrupción de la corriente anódica En la Figura 10.6 se observa cómo la corriente anódica puede ser cortada mediante un interruptor bien en serie (figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). El interruptor en serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR deje de conducir. El interruptor en paralelo desvía parte de la corriente del SCR, reduciéndola a un valor menor que I H. En el método de conmutación forzada, que aparece en la Figura 10.7, se introduce una corriente opuesta a la conducción en el SCR. Esto se realiza cerrando un interruptor que conecta una batería en paralelo al circuito. Figura 10.7: Desconexión del SCR mediante conmutación forzada APLICACIONES DEL SCR

6 Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores (dimmer) de lámparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos. En la Figura 10.8 se muestra un circuito de control de fase de media onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 V (AC). R L representa la resistencia de la carga (por ejemplo un elemento calefactor o el filamento de una lámpara). R 1 es una resistencia limitadora de la corriente y R 2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR. Mediante el ajuste del mismo, el SCR se puede disparar en cualquier punto del ciclo positivo de la onda en alterna entre 0 y 180º, como se aprecia en la Figura Figura 10.8: (a) Conducción durante 180º (b) Conducción durante 90º Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), como en la Figura 10.8 (a), conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima potencia a la carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 10.8 (b), el SCR conduce durante aproximadamente 90º y se transmite menos potencia a la carga. Mediante el ajuste de R X, el disparo puede retardarse, transmitiendo así una cantidad variable de potencia a la carga. Cuando la entrada en AC es negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez hasta el siguiente disparo durante el ciclo positivo. Es necesario repetir el disparo en cada ciclo como se ilustra en la Figura El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR. Figura 10.9: Disparos cíclicos para control de potencia 10.3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH) Este dispositivo es similar al SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de corriente con una señal en el terminal de gate.

7 Igual que el SCR, no permitirá el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en el terminal de puerta. 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 10.10: Símbolo del GCS Los GCS están diseñados para cargas relativamente pequeñas y pueden soportar sólo unas pocas decenas de amperios SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH) Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR. Figura 10.11: Símbolo del SCS

8 El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este último tiene la ventaja de poder abrirse más rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente. También se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores EL DIAC Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos. Figura 10.12: Construcción básica y símbolo del diac La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa. Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento I H. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

9 Figura 10.13: Característica V-I del diac 10.6 EL TRIAC Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje V BO como el diac. Figura 10.14: Construcción básica y símbolo del TRIAC. En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de V BO es distinto. En la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de V BO más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor I H.

10 Figura 10.15: Característica V-I del triac Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. 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, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos RESUMEN Figura Control básico de potencia con un Triac

11 Como resumen final del tema se reflejan en una tabla las características más importantes de los tiristores que se han presentado. TIRISTOR UNIDIRECCIONAL BIDIRECCIONAL 1 GATE 2 GATE 0 GATE SHOCKLEY X X SCR X X ON/OFF GCS X X X SCS X X X DIAC X X TRIAC X X 1. Si se supone que el SCR del circuito de la figura está en conducción, cuál será el valor de la corriente I?. Calcular el valor al que debe ser ajustada la resistencia variable R si se desea extinguir dicha corriente. Cuál es la misión del interruptor? Datos: I H = 10 ma, V AK (conducción) = 0,7 V 1. Dibujar de forma aproximada la caída de tensión en la resistencia R del circuito siguiente.

12 1. Dibujar la forma de onda de la corriente que se obtiene en el circuito siguiente. Datos: V IN = 25 V (AC); V BO = 20 V; I H = 20 ma. 1. Dibujar la forma de onda de la corriente en el triac del siguiente circuito. Datos: V IN = 30 V p-p, V BO = 25 V; I H = 1 ma. 1. Repetir el problema anterior considerando una tensión de entrada sinusoidal de 50 V de valor máximo. 1. Para el circuito de la figura adjunta, dibujar la forma de onda de la caída de tensión en la resistencia. La tensión V BO es de 10 V. 1. Se tiene un generador de onda cuadrada de 50 Hz alimentando a un circuito como el que se muestra en la figura siguiente. Dibujar la forma de onda de la tensión de salida. Datos: DIODO SHOCKLEY V BO = 18,9 V. SCR V BO = 50 V.

13 1. Mediante un tiristor tipo SCR se desea controlar la potencia suministrada a una carga resistiva. El generador empleado proporciona una tensión alterna sinusoidal con una frecuencia de 50 Hz. Si sólo se desea transmitir el 50% de la potencia máxima que puede suministrar el generador, con qué frecuencia ha de dispararse el SCR?

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