Reguladores (cont.) Para finalizar el tema teórico de los tiristores presentamos un resumen. SCR- Símbolo, estructura y funcionamiento básico. El SCR (Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador o interruptor casi ideal. El símbolo y estructura del SCR se muestran en la figura. Donde: A = ánodo G = compuerta o Gate C = K = cátodo Funcionamiento básico del SCR El siguiente gráfico muestra un modelo equivalente del SCR para comprender su funcionamiento. Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismo que IB1 en la base de Q1, y... Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR. Un SCR se lo caracteriza por ciertos parámetros que a continuación vamos a definir: 1 de 9
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades: - Tensión inversa de pico de trabajo...: V RWM - Tensión directa de pico repetitiva...: V DRM - Tensión directa...: V T - Corriente directa media...: I TAV - Corriente directa eficaz...: I TRMS - Corriente directa de fugas...: I DRM - Corriente inversa de fugas...: I RRM - Corriente de mantenimiento...: I H CARACTERÍSTICAS TERMICAS - Temperatura de la unión...: T j - Temperatura de almacenamiento...: T stg - Resistencia térmica contenedor-disipador...: R c-d - Resistencia térmica unión-contenedor...: R j-c - Resistencia térmica unión-ambiente...: R j-a - Impedancia térmica unión-contenedor...: Z j-c 2 de 9
CARACTERÍSTICAS DE CONTROL Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes características: -Tensión directa máx....: V GFM - Tensión inversa máx....: V GRM - Corriente máxima...: I GM - Potencia máxima...: P GM - Potencia media...: P GAV - Tensión puerta-cátodo para el encendido...: V GT - Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento...: V GNT - Corriente de puerta para el encendido...: I GT - Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento...: I GNT Entre los anteriores destacan: - V GT e I GT, que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor. - V GNT e I GNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado. 3 de 9
Curva característica del SCR En la siguiente figura se muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta. Cuando el SCR está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la corriente de fuga característica que se muestra en el gráfico). En la región de polarización en directo el SCR se comporta también como un diodo común, siempre que el SCR ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de ánodo a cátodo es menor (VC). Si la IG disminuye, el voltaje ánodo-cátodo aumenta. (ver el punto B y A, y el voltaje anodo-cátodo VB y VA). Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje ánodo-cátodo tenderá a aumentar antes de que el SCR conduzca (se ponga en On / esté activo) 4 de 9
El funcionamiento de un tiristor en corriente continua es fácil de entender. Normalmente el tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K) (la corriente circula en el sentido de la flecha del tiristor). Con esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para activarlo. Este pulso debe de tener una amplitud mínima, para que la corriente de compuerta (IG) provoque la conducción. Activación del tiristor (conmutación de circuito abierto a cortocircuito ) En el gráfico anterior se ve una aplicación sencilla del tiristor en corriente continua. El tiristor se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con un pulso de tensión que causa una pequeña corriente. (se cierra momentáneamente el interruptor S). El tiristor conduce y se mantiene conduciendo, no necesitando de ninguna señal adicional para mantener la conducción. Características del pulso de disparo La duración del pulso aplicado a la compuerta G debe ser lo suficientemente largo para asegurar que la corriente de ánodo se eleve hasta el valor de retención. Otro aspecto importante a tomar en cuenta es la amplitud del pulso, que influye en la duración de éste. Desactivación de un tiristor El tiristor una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (I A ) sea mayor que la corriente de mantenimiento (I H ). Normalmente la compuerta (G) no tiene control sobre el tiristor una vez que este está conduciendo. 5 de 9
Opciones para desactivar un tiristor: 1. Se abre el circuito del ánodo (corriente I A = 0) 2. Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de tensión mayor que el del ánodo). 3. Se deriva la corriente del ánodo I A, de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento I H. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por él pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención (I H )", lo que causará que el tiristor deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero. Como se puede ver el SCR, tiene dos estados: 1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada. Control de fase con tiristor Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 220V c.a., etc. La potencia suministrada a la carga se controla variando el ángulo de conducción. del tiristor. El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta Como R es un potenciómetro, el valor resistivo puede variar y así producir un corrimiento de fase ajustable, que causará que la entrega de potencia a la carga también sea variable. Con ésto se logra que la intensidad de la luz en la lámpara varíe. 6 de 9
El diodo en la compuerta del tiristor se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el ciclo negativo (de 180 a 360 ) Formas de onda de la señal de entrada y en la carga para diferentes corrimientos de fase. - El 1er diagrama muestra la onda de entrada. Observar los puntos. 0, 180 y 360. - El 2do diagrama muestra la señal aplicada a la carga cuando el disparo es a los 45 - El 3er diagrama muestra la señal aplicada a la carga cuando el disparo es a los 150. En el segundo y tercer diagrama se ve que la semionda negativa ha desaparecido, y esto es debido a que el tiristor se comporta, cuando está conduciendo, como un diodo. El área bajo la curva en el segundo y tercer diagrama representa la energía transferida a la carga. El segundo diagrama tiene un área bajo la curva mayor, entonces indica que, en este caso, hay más energía entregada al bombillo que en el tercer diagrama. El máximo corrimiento de fase se logra cuando el potenciómetro tiene su mayor valor y el mínimo cuando este tiene su valor más pequeño. Ver que cuando R = 0 (valor mínimo del potenciómetro) el capacitor está en paralelo con el tiristor y éste se comporta prácticamente como un diodo, pues se dispara casi inmediatamente que la señal de entrada pasa los 0. 7 de 9
Ángulos de conducción: - La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción. - A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia. - Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo - Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor. FORMAS DE ONDA DE LOS SCR Los términos populares para describir la operación de un SCR son ángulo de conducción y ángulo de retardo de disparo. El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo de CA durante los cuales el SCR está encendido. El ángulo de retardo de disparo es el número de grados de un ciclo de CA que transcurren antes de que el SCR sea encendido. Por supuesto, estos términos están basados en la noción de que el tiempo total del ciclo es igual a 360 grados. 8 de 9
En la figura se muestran las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de retardo de disparo. Al momento que el ciclo de CA inicia su parte positiva, el SCR esta apagado. Por tanto tiene un voltaje instantáneo a través de sus terminales de ánodo y cátodo igual al voltaje de la fuente. Esto es exactamente lo que se vería si se colocara un interruptor abierto en un circuito en lugar del SCR. Dado que el SCR interrumpe en su totalidad el suministro de voltaje, el voltaje a través de la carga (V LD ) es cero durante este lapso. La extrema derecha de las ondas ilustran estos hechos. Mas a la derecha en los ejes horizontales, se muestra el voltaje de ánodo a cátodo (V AK ) cayendo a cero después de aproximadamente un tercio del semiciclo positivo. Esto es el punto de 60. Cuando V AK cae a cero, el SCR se ha "disparado", o encendido. Por tanto, el ángulo de retardo de disparo es de 60. Durante los siguientes 120 el SCR se comporta como un interruptor cerrado sin voltaje aplicado a sus terminales. El ángulo de conducci6n es de 120. El ángulo de retardo de disparo y el ángulo de conducción siempre suman 180. La forma de onda del voltaje de carga muestra que, al dispararse el SCR, el voltaje de la fuente es aplicado directamente a la carga. La tensión en la carga entonces sigue al voltaje de la fuente por el resto del semiciclo positivo, hasta que el SCR nuevamente se apaga. El estado OFF ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero. En general, estas formas de onda muestran que antes de que el SCR se dispare, el voltaje es retirado de entre las terminales del SCR, y la carga ve un voltaje cero. Después de haberse disparado el SCR, la totalidad del suministro de voltaje es retirado a través de la carga, y el SCR presenta voltaje cero. El SCR se comporta como un interruptor de acción rápida. 9 de 9