ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R." FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica 1. TEMA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PRÁCTICA N 8 RECTIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO DE MEDIA ONDA Y ONDA 2. OBJETIVOS COMPLETA 2.1. Diseñar e implementar un rectificador monofásico controlado de media onda. 2.2. Diseñar e implementar un rectificador monofásico controlado de onda completa con tap central. 3. INFORMACIÓN SCR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO) Es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Un SCR posee tres terminales externos para conexión, denominados: ánodo, cátodo y gate (puerta).
Funciona básicamente como un diodo rectificador pero controlado, ya que es un elemento unidireccional que conduce corriente en sentido ánodo cátodo, cuando esta polarizado directamente pero a su vez requiere que se tenga un impulso de corriente en el gate. CURVAS DE FUNCIONAMIENTO O CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DEL SCR. El SCR puede operar en las siguientes zonas: - Avalancha: Destrucción del elemento. (Zona A-B) - Bloqueo inverso: actúa con un interruptor abierto, para entrar a esta zona el voltaje ánodo cátodo se encuentra polarizado inversamente (Vak < 0). (Zona B-C) - Bloqueo directo: el voltaje ánodo cátodo esta polarizado directamente (Vak>0) pero en esta zona no existe una corriente de disparo en la compuerta (Gate). (Zona C - D) - Resistencia Negativa. Conforme aumenta Ig se reduce el voltaje de bloqueo directo y cuando llega al valor de corriente de enganche entra a conducir. (Zona D E) - Conducción: el voltaje ánodo cátodo esta polarizado directamente (Vak>0) y también existe una corriente de disparo en la compuerta (Gate), actúa como un interruptor cerrado. (Zona E F).
DISPARO DEL TIRISTOR: El disparo del elemento se puede producir por disparos no deseados (exceso de tensión o derivada de tensión) y por disparos deseados (Impulso de puerta). Por exceso de tensión: Si la tensión soportada por la unión de control se acerca al valor de ruptura en sentido directo, la corriente de minoritarios aumenta considerablemente (proceso de avalancha). Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de mantenimiento el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción. Por derivada de tensión: Si se produce un cambio brusco de polarización inversa a directa, no hay tiempo para la organización de cargas. La tensión soportada por la unión de control será elevada, si la corriente de minotarios se eleva por encima del valor de mantenimiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción. Por radiación electromagnética: La acción combinada de tensión directa, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede incrementar la corriente de minotarios. Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de mantenimiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción.
Por impulso de puerta: Los huecos inyectados por la puerta producen la inyección de una nube de electrones desde el cátodo, generando una corriente la cual si se eleva por encima del valor de enclavamiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción aunque desaparezca la corriente de puerta. TIPOS DE ACOPLAMIENTO DEL PULSO: Existen tres tipos de acoplamientos que se pueden utilizar: Acoplamiento directo o tierra común: El cátodo se encuentra referido a masa. Acoplamiento magnético: El cátodo no se encuentra referido a masa.
Acoplamiento óptico: Se puede realizar por medio de optoacopladores o fibra óptica. DIMENSIONAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE COMPUERTA: Para activar a los SCR de esta práctica, el estudiante debe generar un tren de pulsos el cual será usado como señal de control. Tener en cuenta que se debe realizar la detección de cruce por cero del voltaje de entrada para empezar a generar los pulsos y que debe haber una resistencia (Rg) en la compuerta para limitar la corriente de disparo. Mediante la resistencia Rg lo que se hace es limitar la corriente que llegue a la compuerta, esta corriente en lo posible hay que hacer que sea igual al valor para la corriente de disparo Igt (corriente mínima de disparo) que indica la hoja datos del SCR utilizado. La corriente que no se debe sobrepasar porque se puede dañar el tiristor es la corriente Igm (corriente máxima que puede soportar la compuerta). En la ecuación de la figura, los valores de Igt (corriente mínima de disparo), Vgt (Tensión de disparo del SCR) se los encuentra en el datasheet del elemento. El voltaje Vg (Voltaje de control) depende de la alimentación que posee el circuito que genera los pulsos. Despejando la resistencia Rg obtenemos el valor de la misma para limitar la corriente de la compuerta según lo recomendado por el fabricante.
4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Dimensionar los elementos que forman parte del circuito de la Figura 1, para un ángulo de disparo entre 10 y 170 grados y un voltaje de entrada de 127 [V RMS]. Se debe considerar que el circuito de disparo debe estar referido al cátodo del SCR. Simular y presentar las formas de onda de voltaje y corriente en la carga, en la línea y en el semiconductor en ambos circuitos. Figura 1. Rectificador de Media Onda Carga RLE. 4.2. Dimensionar los elementos que forman parte del circuito de la Figura 2, para un ángulo de disparo entre 10 y 170 grados y un voltaje de entrada de 127 [VRMS]. Simular y presentar las formas de onda de voltaje y corriente en la carga, en la línea y en los semiconductores. Figura 2. Rectificador Monofásico Onda Completa con Tap Central Carga R y RLE. 5. EQUIPO Y MATERIALES Fuente de poder DC. Foco de 100 W, 120 V. Transformador con Tap Central.
Inductor. Motor DC. Osciloscopio. Analizador de armónicos Fluke 41B. Multímetro. Puntas de prueba. Cables. 6. PROCEDIMIENTO 6.1. Verificar el correcto funcionamiento de los diferentes circuitos para ángulos de disparo de 45 y 135 en cada caso. Tomar formas de onda de voltaje y corriente sobre la carga y en la línea. 6.2. Medir el valor de voltaje, corriente y potencia en la carga para los casos del literal 2.1. 6.3. Medir las potencias aparente, activa, reactiva y el factor de potencia en la línea para los casos del literal 2.1. 7. INFORME 7.1. Presentar formas de onda y comentar los resultados obtenidos. 7.2. Realizar los cálculos teóricos para los casos del literal 2.1. 7.3. Comparar los resultados experimentales con los obtenidos de manera teórica en el literal anterior. Justificar los errores encontrados. 7.4. Conclusiones y recomendaciones. 7.5. Bibliografía. 8. REFERENCIAS [1] José Rodríguez, Pablo Lezana, Samir Kouro, and Alejandro Weinstein. 11 singlephase controlled rectifiers. In Muhammad H. Rashid, editor, Power Electronics Handbook (Third Edition), pages 183 204. Butterworth-Heinemann, Boston, third edition, 2011.