Electrónica de Potencia. Guía 3 Facultad: Estudios Tecnológicos Escuela: Electrónica y Biomédica Asignatura: Electrónica de Potencia Contenido. Curva de Operación del SCR. Objetivos específicos. Verificar el funcionamiento de un SCR en CC. Determinar la corriente de disparo en función de la corriente de conducción Anódica. Controlar el funcionamiento de un SCR en AC con control de la tensión de disparo de Compuerta (Gate). Controlar el funcionamiento de un SCR media onda y onda completa con control de la tensión de disparo de Compuerta (Gate). Material y equipo. Cantidad Descripción 1 Tablero Maestro 1 Tarjeta de Circuito impreso DE LORENZO 1 Multímetro 1 Osciloscopio 1 Generador de Funciones Tabla 1.1 Material y Equipo. Introducción Teórica. Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores usados para controlar la cantidad de potencia que entrega a cargas eléctricas. El rectificador controlado de silicio (SCR) es un tiristor. El SCR consiste en cuatro capas p y n alternadas, como se muestra en la Figura 1.1. Figura 1.1 a) Estructura Interna del SCR b) Símbolo. 1
Electrónica de Potencia. Guía 3 En la Figura 1.2 a), el SCR se conecta a un circuito de prueba que daría polarización directa a un diodo de juntura P-N común. El SCR es diferente y no conducirá. El SCR ideal actúa como el circuito abierto de la Figura 1.2 b) y está en el estado OFF. En la Figura 1.3 a) se ha agregado un circuito de disparo para suministrar una pequeña corriente de compuerta para poner el SCR en ON, actúa como un diodo de polarización directa. Si se lo considera como ideal, actúa como el cortocircuito de la Figura 1.3 b). Es necesaria la corriente de compuerta para poner al SCR en ON. a) Circuito del SCR b) El SCR No Conduce Figura 1.2 Polarización del SCR Figura 1.3. Circuito de Disparo y de Operación para el SCR. En la Figura 1.4 a), el conmutador del circuito de disparo que suministra la corriente de compuerta se abre y la corriente de compuerta cae a cero amperios. El SCR no se apaga. La corriente de compuerta es necesaria para encender el SCR, pero no es condición necesaria para mantenerlo conduciendo. Para poner el SCR en OFF, la fuente de tensión en Vs1 debe estar apagada como se muestra en la Figura 1.4 b). El SCR se pone en OFF al eliminar la fuente de tensión que suministra la potencia a la carga (R1). Si se reduce gradualmente el valor de tensión Vs1, la corriente provista a la carga decrecerá. Cuando la corriente disminuye por debajo de un valor denominado corriente de mantenimiento, el SCR se pondrá en OFF aun cuando la tensión Vs1 no sea cero. Figura 1.4 Circuitos de Disparo para el SCR 2
Electrónica de Potencia. Guía 3 Curva Característica V I del SCR. En la Figura 1.5 se muestra la curva característica del SCR. Cuando el SCR tiene polarización inversa, actúa como un diodo común, con su pequeña cantidad normal de corriente de fuga (también llamada corriente de escape o pérdida ). Cuando se aumenta la tensión inversa, también llegara a la ruptura, como un diodo. También actúa como un diodo con polarización directa entre los puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta, tales como el punto C de la Figura 1.5, el SCR se pondrá en ON (o disparará) al valor bajo de la tensión V B de ánodo a cátodo a lo largo del eje horizontal. Cuando disminuye la corriente de compuerta, tal como el punto B de la Figura 1.5, la tensión V B de ánodo a cátodo tendrá un valor mucho más alto antes que el SCR se ponga en ON. Figura 1.5. Curva Característica V I del SCR. Si la corriente de compuerta es cero, el SCR aún se pondrá ON sí la tensión se aumenta a la tensión directa de transición conductiva (o tensión de Irrupción) en V A para poner disparar un SCR se requiere una combinación de corriente de compuerta y de corriente de ánodo a cátodo. Operación CA. Los SCR se usan a menudo en circuitos de CA, para controlar la potencia entregada a las cargas. En la Figura 1.6 la fuente de alimentación V AC es de 120 V AC. El circuito RC produce un corrimiento de fase entre la tensión de entrada V AC y la tensión entre los bornes del condensador. La tensión entre los bornes del condensador provee la corriente de compuerta. Dado que el SCR está encendido por una combinación de tensión de entrada y corriente de compuerta, el tiempo de disparo puede ser controlado ajustando la resistencia para cambiar la relación de fase de las dos tensiones. La tensión en el condensador estará atrasada con respecto a la tensión de entrada V AC. Por medio de este método puede cambiarse el ángulo de disparo sobre una gama de 180º hasta 360º. El diodo se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el semiciclo negativo. En la Figura 1.6 c), la resistencia se ajusta de modo que el SCR pase a ON entre 0 y 90º. En este diagrama el ángulo de disparo es de 40º dado que el SCR está en ON durante ésta parte del primer semiciclo, la corriente circulará a través de la lámpara y ésta se iluminará. En la Figura 1.6 d), el SCR pasa a ON entre 90º y 180º a un ángulo de disparo de 150º. Debido a que la tensión se aplica al SCR durante una pequeña parte del ciclo, la lámpara se pone débil. El ajuste de la resistencia para controlar el ángulo de fase controla a su vez la cantidad de potencia entregada a la lámpara. 3
Electrónica de Potencia. Guía 3 Figura 1.6. Control de Fase del Angulo de Disparo. Procedimiento. Parte I. Característica Estática de un SCR. 1. Conecte la terminal +15V de la alimentación con la terminal +15V del módulo DL3155AL2RM, posteriormente conecte la terminal GDN de la sección de alimentación con la terminal GDN del mismo modulo figura 1.7. Figura 1.7 Alimentación del Módulo. 4
Electrónica de Potencia. Guía 3 2. Busque dentro del módulo DL3155AL2RM la sección 3 e identifique el circuito de la figura 1.8, Conecte la terminal 1 con +15V y la terminal 7 con GND. 3. Coloque un amperímetro entre 5 y 6, Escoja una escala de 200 miliamperios DC y un voltímetro en escala DC entre ánodo y cátodo. 4. Cierre S1 (Con retención) y gire los potenciómetros (R2, R4) al mínimo (Sentido antihorario). 5. Encienda el equipo. Figura 1.8 Conexiones del Módulo DL3155AL2RM 6. Lea el valor de voltaje V AK e I AK V AK = Voltios I AK = miliamperios Qué significan para usted estos valores de voltaje y corriente en relación al funcionamiento del SCR? 7. Aplique un pulso a la compuerta mediante la conexión de un amperímetro entre los puntos 8 y 10. V AK = Voltios I AK = miliamperios I G = miliamperios 5
Electrónica de Potencia. Guía 3 Qué significan para usted estos valores de voltaje y corriente en relación al funcionamiento del SCR? 8. Mueva R2 en sentido horario lentamente hasta observar la I AK en la cual el dispositivo sale de conducción. I AK = miliamperios V AK = Voltios Qué significan para usted estos valores de voltaje y corriente en relación al funcionamiento del SCR? 9. Aplique otro pulso a la compuerta observe que sucede y explicar el significado de estos valores en relación al funcionamiento del SCR. 10. Retire el pulso de compuerta que sucede con el SCR. 11. Gire R4 en sentido horario y R2 en el mínimo. 12. Conecte el terminal de compuerta (Unir 8 y 10) que sucede? 13. Gire lentamente en sentido antihorario a R4 y desconecte el terminal de compuerta, anote sus observaciones. 14. Apague y desconecte. Parte II. Tensión y Corriente de Disparo: V GT e I GT. 1. Conecte 1 con +15, 5 con 6 y 7 con GND ver figura 1.8 y S1 cerrado (Con retención). 2. Gire R2 y R4 en sentido antihorario. 6
Electrónica de Potencia. Guía 3 3. Coloque un amperímetro entre 8 y 10, un voltímetro entre 10 y GND. 4. Mida la corriente I GT y V GT en los puntos indicado en el numeral 3. I GT = miliamperios V GT = voltios Parte III. Regulación en AC. 1. Haga la conexión de la alimentación según se especifica en la figura 1.9 Figura 1.9 Alimentación del Módulo DL 3155E29 2. Conecte la terminal 1 con la 2 y la 3 con GND (figura 1.10) Figura 1.10 Conexiones del Circuito SCR 7
Electrónica de Potencia. Guía 3 3. Conecte la terminal 5 con 6. 4. Conecte la terminal 8 con 10. 5. Conecte la terminal 7 con GND. 6. Gire R2 hasta la mitad de su recorrido, Conecte el osciloscopio entre las terminales 4 con referencia en 5. Dibuje la forma de onda, que conclusión puede dar sobre ella. 7. Gire R4 hasta la mitad de su recorrido, Cierre el interruptor S1 (Con retención), Dibuje la forma de onda Cómo se modifica la forma de onda y porque? 8
Electrónica Industrial. Guía 1 8. Gire R4 hasta su máximo recorrido (Sentido antihorario), Que pasa a la forma de onda que obtuvo en el punto 7, Dibújela en la misma cuadricula del punto 7, Calcule el ángulo de dicha forma de onda. 9. Gire R4 hasta obtener una forma de onda mínima, Dibújela, calcule el ángulo mínimo. 9
Electrónica Industrial. Guía 1 Parte IV. Regulación de semionda con SCR. 1. Haga la conexión de la alimentación según se especifica en la figura 1.11 Figura 1.11 Alimentación del Módulo DL 3155E29 2. Conecte la terminal 2 con 6 y 3 con 7. (Figura 1.12) 3. Conecte la terminal 3 con GND y 5 con 1. (Figura 1.12) Figura 1.12 Regulación de Semionda con SCR 10
Electrónica Industrial. Guía 1 4. Conecte terminal 1 con 9 y 11 con GND, 5. Conecte el osciloscopio en los terminales 10 (punta roja) y 11 (punta verde), regule R2 a aproximadamente la mitad de su recorrido, Visualice la forma de onda. 6. Obtenga su valor máximo y su valor eficaz. Vmax = Voltios Veficaz = Voltios 7. Coloque entre los terminales 10 y 11 un voltímetro con escala de 200 Vac lea el voltaje y compárelo con el del punto 6. Vmáx = Voltios Veficaz = Voltios 8. Apague el modulo. 9. Conecte la terminal 11 con la 12 y la 13 con GND del circuito de la figura 1.12. 10.Conecte la terminal 17 con GND y la terminal 1 con la 15, además de la terminal 16 con la 14. 11. Vuelva alimentar el circuito. 12. Gire R4 en sentido antihorario hasta su máximo recorrido, Visualice la forma de onda en la pantalla del osciloscopio y dibújela. 11
Electrónica Industrial. Guía 1 13.Gire lentamente R4 en sentido horario y cierre el interruptor S1. Visualice la forma de onda en el osciloscopio y dibújela. 12
Electrónica Industrial. Guía 1 Parte V. Regulación de Onda Completa con SCR. 1. Alimente el módulo DL3155AL2RM (Ver figura 1.11). 2. Realice las conexiones según se muestra en la figura 1.13. Figura 1.13 Regulación de onda completa con SCR. 3. Coloque un osciloscopio entre los terminales 10 (punta roja) y el terminal 11 (punta verde), Regule R2 hasta la mitad de su recorrido y visualice la forma de onda en la pantalla del osciloscopio. 13
Electrónica Industrial. Guía 1 4. Calcule el valor máximo y el valor eficaz de la forma de onda del numeral anterior. Vmáx = Voltios Veficaz = Voltios 5. Mida el voltaje en R2 con un voltímetro compárelo con los obtenidos en el numeral anterior. 6. Apague el modulo. 7. Conecte los terminales 11 con 12, quite la conexión 11 con GND. 8. Conecte 13 con GND y 17 con GND. 9. Conecte 1 con 15 y 16 con 14. 10. Encienda el modulo. 11. Gire R4 en sentido antihorario hasta su máximo recorrido, visualice la forma de onda en la pantalla del osciloscopio. Explique el porqué de esta forma de onda. 14
Electrónica Industrial. Guía 1 12. Gire lentamente R4 en sentido horario cierre S1 (Con retención), Visualice la forma de onda. Explique el porqué de esta forma de onda. 13. Gire lentamente R4 en sentido horario hasta que aparezca la mínima señal en la pantalla del osciloscopio, explique qué ocurre. Dibújela en la misma plantilla del numeral anterior. Análisis de resultados. 1. Presente todas las formas de onda en papel milimétrico (o en las plantillas de la guía), y explíquelas separadamente. 2. Explique detalladamente cada experimento realizado en la práctica y conteste las interrogantes que se le han planteado. 3. Explique para que se utiliza el interruptor S2 en el módulo 1 y 3 (consulte a su instructor) 15
Electrónica Industrial. Guía 1. Investigación complementaria. 1. Presente los datos técnicos del SCR utilizado. 2. Presente en circuito de disparo de SCR por medio de una red RC, así como las ecuaciones que relaciona corrientes y tensiones en los terminales del SCR en función del tiempo. 3. Presente la simulación de los circuitos (Pspice, Circuit maker, etc.), Haga un análisis detallado de cada circuito. Bibliografía. Savant, J.C. Diseño Electrónico. Adisson Wesley 2ª. Edición México 1992. DEGEM Systems. Curso EB-112: Electrónica Industrial. Inter Training Systems-1998. Boylestad, Robert. Electrónica: Teoría de Circuitos. Prentice Hall. 2ª. Edición México 1997. 16