t6disparoscr_ep_0506

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lTEMA 6:TIRISTORES: CIRCUITOS DE CONTROL

05/02/03 J.D.Aguilar Peña;http://voltio.ujaen.es/jaguilar 1

UNIDAD Nº 0. INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURAUNIDAD Nº 1. REPASO DE CONCEPTOS Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIAUNIDAD Nº 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIAUNIDAD Nº 3. DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPASUNIDAD Nº 4. CONVERTIDORES

Lección 5.- TiristorLección 6.- Gobierno de tiristores y triac

•Lilen,H. Tiristores y triac. Marcombo.1998•Thyristor data. Mayo 2000. Onsemiconductor; http://www.onsemi.com•Power Semiconductor Application Philips Semiconductor. Thyristores and triac. Capitulo 6.•Notas de aplicación diversos fabricantes (ver apuntes)

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Disparo por corriente continua.

Las condiciones requeridas por el dispositivo podemos encontrarlas en gráficos típicos, como el de la figura siguiente, referido a un tiristor de General Electric:

* Corriente continua * Corriente alterna * Impulsos o trenes de ondas

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Para el cto de la figura, determinar si la fuente de tensión continua de 6V, es apropiada para el disparo del tiristor BTY79.

oomáxSminS VIRV VS min = 4.25V.

PGAV = 0.5W(máx)G

2

(máx)G(mín)S

(máx)SGM R

RR

VP

RGMAX = 32

GmáxSmínGmáx

GAVmáxSmáx RR

R

PV

Sustituyendo, obtenemos un valor de VSmáx = 7V, por lo que podemos decir que la fuente la fuente de 6V es apropiada para el correcto de 6V es apropiada para el correcto funcionamiento del cto.funcionamiento del cto.

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Disparo por corriente alterna

Para el cto de la figura, en el que se representa un control básico de potencia con disparo por corriente alterna,

1º) Calcular el ángulo de disparo para R = 5K, 8K, 10K.

2º) Simular mediante PsPice y comparar los ángulos de disparo anteriormente calculados con los obtenidos en la simulación.

3º) Determinar la tensión media entregada a la carga y comparar con la obtenida con PsPice.

DATOS: Ve(RMS) = 28.4V; RL = 20; D = 1N4148;

SCR 2N1595 IGT = 2mA;VGT = 0.7V

GKDGLe VVIRRV

Para R = 5KR = 5K, sustituimos y determinamos Ve:

11.44V0.70.71025K20V 3e

17º228.4

11.44arcsenwt

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Para R = 8KR = 8K Para R = 10KR = 10K

wt 26º wt 33º

La curva obtenida mediante PsPice para el caso R = 5K es:

12.5Vcos17ºcos180º2

VsenwtV

2

1V m

180º

17º mDC

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EJERCICIO PROPUESTO

En el cto de la figura, Determinar:

1.- Valor del ángulo de disparo del SCR.2.- Valor instantaneo de la tensión de entrada que produce el apagado del SCR.3.- Formas de onda asociadas al cto y programa para la simulación con PsPice.

DATOS:

VE = 17V; RL = 100; R1 = 5.5K; R2 = 500; VD = 0.7V

SCR: IGT = 2mA; VGT = 0.7V;VTM = 1.1V; IH = 5mA

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Disparo por impulso o trenes de ondas

La ventajaventaja al introducir un pulso frente a una señal continua, será la menor potenciamenor potencia que debe disipar la puerta, así como poder ampliar las toleranciasampliar las tolerancias entre las que nos podemos mover. La señal de puerta debedebe ser aplicada el tiempo necesarioser aplicada el tiempo necesario hasta que la corriente por el semiconductor alcance el valor de la corriente de enganche

Disparo por impulso único

El cebado por impulsos, permite una potencia de pico superior a la potencia potencia de pico superior a la potencia media de puerta admisible.media de puerta admisible.

Es posible reducirreducir a un valor mínimo el retardoretardo que existe entre la señal de puerta y la subida de la corriente de ánodo sincronización muy precisa.

Se reduce la disipación de potenciareduce la disipación de potencia debida a la corriente residual en las proximidades del nivel de cebado.

El cto de puerta debe ser atacadoatacado, preferentemente, con un generador de corrientegenerador de corriente.La corriente de mandocorriente de mando >> corriente mínima.corriente mínima.

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Disparo por impulso o trenes de ondasDisparo por trenes de ondas

Ampliar la duración de cada pulsoAmpliar la duración de cada pulso (Curva C).

Enviar trenes de impulsos repetitivos hastaEnviar trenes de impulsos repetitivos hasta el termino de cada el termino de cada semiciclosemiciclo (Curva D).

Que ocurre con carga inductiva

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Disparo por impulso o trenes de ondasDisparo por trenes de ondas: Transformador de impulsos

dt

dBSNU2

tSN

Udt

SN

UB 2máx2

2máx

máxmáx U

BSNt

máx2máxmáx BSNUt

N = Número de espiras.

S = Sección del cto magnetico.

B = Inducción.

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Ctos de mandoCtos de mando

Los ctos con tiristores y triacs se emplean en aplicaciones en las que el elemento realiza funciones de coducción:* Todo o nada * Todo o nada proporcional * Control de fase.

En el caso en que el tiristor (ó triac) trabaje en el modo todo o nadatodo o nada, se presentan dos posibilidadesdos posibilidades:

Que trabajen como relés estáticosrelés estáticos.( todo o nada)

Que trabajen como variadores de potenciavariadores de potencia en la carga.

RRelés estáticoselés estáticos VVariadores de potenciaariadores de potencia

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Control de fase

SCR TRIACSCR TRIAC

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Mando sincrono. (todo o nada )

•Detector paso por cero P

•Comparador Q

•Interuptor mando S

Modo 1:Carga resistiva

Impulsos de corta duración

Modo II: Carga inductiva

Impulsos de larga duración

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Mando sincrono.(todo o nada con margen proporcional )

Control temperatura

Todo o nada con y sin histéresis

Todo o nada con banda proporcional

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Mando sincrono.(todo o nada con margen proporcional )

++

Generador triangular

ComparadorConsigna Tª

Temperatura

Circuito

lógico

Amplificador señal

Detector de paso por cero

Red

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Control temperatura, con reducción del consumo por noche o ausencias

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Sea el circuito de control de potencia de la figura: Dibujar la señal de salida en la carga, para una tensión Ein de 2.5 voltios dc y y señal rampa Vref de 5 voltios de amplitud

Demostrar que

TTonDsiendo

DVV RMSacRMS

/

arg

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Control de disparo por ángulo de conducción. (Control de fase)

El principioprincipio en el que se basa este tipo de control consiste en retardarretardar de manera sistemática el instante de disparoel instante de disparo del dispositivo introduciendo una constante de tiempo, que inicialmente era obtenida mediante circuitos R – C, pero que en la actualidad se consigue, entre otras formas, mediante el principio que vamos a estudiar a continuación.

Circuitos de control de puerta

r

cm

U

Uarccos

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Ejemplo: Control sistema trifásicoEjemplo: Control sistema trifásico

http://www.iie.edu.uy/

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Ejercicio propuesto

Rectificador totalmente controlado con cuatro tiristores en los que controlamos el ángulo de retardo en la conducción y por tanto controlamos la tensión media entregada a la carga. Comentar el funcionamiento del circuito de control y dibujar la señales en los principales puntos del circuito y la señal que tendremos en la carga. ¿ Que señal es la que hace que varíe el ángulo de retardo?

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R210k

Tr1 D1

4148

R1

18kT1Bc109

T2 Bc109

D2

4148

220 v ac

C1 100nF

U2A

TL082

U1A

TL082P125k

R3

100k-Vcc

-VccP2

4k7 -Vcc

D3

4148 R4180

Vcc

Vcc

Vcc

Vcc

Figura 1.3 Circuito de control.

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Cto integrado TCA 785 de SIEMENS

Este cto es muy empleado en el control de fase, por lo que se utiliza para el control de tiristores, triacs y transistores.

Los pulsos de disparo pueden variar entre 0º y 180º.Los pulsos de disparo pueden variar entre 0º y 180º.

Los ctos más típicos en los que se utiliza son: convertidores, control de corriente alterna, etc.

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Comentar los circuitos de control de potencia presentados

en las figuras siguientes

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Disparo con elementos semiconductores( disparo por Disparo con elementos semiconductores( disparo por red RC)red RC)

9.31830101.0502

1

wC

1X

6C

200.5KRRR 21

º9R

Xarctg C

¿qué inconveniente tiene este circuito?

Datos: Ve = 220V/50Hz; R1 = 200K; R2 = 500; C = 0.1F

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UJT( transistor uniunión). Elemento de baja potencia UJT( transistor uniunión). Elemento de baja potencia utilizado para control de SCR y triacutilizado para control de SCR y triac

Vp=VE>VD+(R1/R1+R2)VBB ( Cond. de disparo) (R1/R1+R2)=μ

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Caracteristicas UJT

Vv Ip Iv

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Condición de oscilador de relajación . Zona de resistencia negativa inestable

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PP3PP3

PP1PP1

PP2PP2

PP1PP1Oscilador relajación con Oscilador relajación con

UJT T=RCln(1/1-UJT T=RCln(1/1-µ)µ)

Vp

DBBP VVV

T

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Determinar en el cto de la figura :

1.- Valores máximo y mínimo de la resistencia R1 + R2, para una correcta oscilación.2.- Determinar el valor de los demás componentes.

3.- Simulación del circuito mediante el programa PsPice.

Datos: VBB = VCC = 20V; CA = 1µF; RB1 = 100

UJT: µ = 0.6; IV = 10mA; VV = 2V; IP = 5µA; TD = 0.01... 0.1s

P

PBBmax I

VVR

V

VBBmin I

VVR

condición de oscilacióncondición de oscilación:

V

VBB

P

PBB

I

VVR

I

VV

VP = 12.5V.

Rmáx = R1 + R2 = 1.5M ; Rmín = R1 = 1.8K

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Para los requerimientos de oscilación: TD = 0.01 – 0.1s

ttotal = tON + tOFF

tOFF = Tiempo o periodo de carga de C, durante el cual, el tiristor está bloqueado.tON = Tiempo o periodo de descarga de C.

Normalmente, ttOFFOFF >> t >> tONON, CR

t

CCCC e(final)V(inicial)V(final)V(t)V

PBB

VBBOFF VV

VVlnCRt

TD = 0.01s Rmín = 11.4KTD = 0.1s Rmáx = 113.6K

Valores que se encuentran dentro del rango calculado anteriormente.Valores que se encuentran dentro del rango calculado anteriormente.

VBB >>> Vv; VP = VBB + VD VBB

1

1lnCRTtOFF

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Rp=10k, 100K

Sabrias demostar que Sabrias demostar que el periodo es el el periodo es el indicado y vp?indicado y vp?

(1.98ms-7.43)(1.98ms-7.43)(2.85ms-7.47)(2.85ms-7.47)

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En la figura, se muestra el esquema de un regulador de corriente alterna de onda completa. Observar como es este montaje es posible controlar una señal alterna con un SCR mediante la configuración del puente y

del propio SCR.1.- Diseñarlo.2.- Simular el circuito mediante PsPice. Datos: Ve = 220V; f = 50Hz; PL = 180W;C

= 0.2µF; RB1= 20;RB2= 100 fOSCILAC. = 100 . . . 900Hz;

ZENER: Vz = 25V; IF = 2mA;

UJT:VD= 0.5V; = 0.77

Utilizando estas gráficas para un valor VB1B2 = VZ = 25V, calculamos los valores de IP, IV, VV.

IP = 1A; IV = 8.5mA; VV = 1.72V

19.75VVVV DBBP 2.74KR mín 5.25MR máx

CR1.5TD

33.3KRRRCR1.5f

1T 21máx

1D1 3.7KRRCR1.5

f

1T 1mín

2D2

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TEMA 9: GOBIERNO DE TIRISTORES

80.5Vsen15º311senwtVV 0e

9.25K6mA

2580.5

I

VVR Z0

3

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Rectificador Rectificador controlado onda controlado onda completa en puentecompleta en puente

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Cto de control de potencia “Rampa – Pedestal”El El valor del escalón es fijado por una tensión de referenciaescalón es fijado por una tensión de referencia, de nivel ajustable, siendo la ramparampa una tensión de referencia que se superpone al tensión de referencia que se superpone al valor del escalónvalor del escalón necesario para disparar al tiristor en un punto umbral disparar al tiristor en un punto umbral fijo.fijo.

VR3

VC1=V2

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Cargador de baterias basado en UJT

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PUT.

El Transistor Uniunión Programable es un dispositivo de disparo muy muy usado en ctos de disparo por puerta para los tiristoresusado en ctos de disparo por puerta para los tiristores. Tiene tres terminales que se identifican como: cátodo (K), ánodo (A) y puerta (G).Es un pequeño tiristor con puerta de ánodotiristor con puerta de ánodo Presenta características de características de disparo parecidas a las del UJTdisparo parecidas a las del UJT, cuando es utilizado en los osciladores utilizado en los osciladores de relajaciónde relajación, pero presenta la ventajaventaja de poder ser programado para poder ser programado para determinar el valor de µ, Vdeterminar el valor de µ, VPP e I e IVV..

La operación del PUT, depende de la tensión que tengamos aplicada entre el ánodo y la puerta del dispositivo:

La tensión que hace que el dispositivo se dispare, VP, es ajustada alterando la relación:

VBBVGBA

B

RR

R

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PUT como oscilador de relajación.PUT como oscilador de relajación. RA, RB y el condensador C, ajustan el retraso de VP.

P

PBBAmáx I

VVR

V

VBBAmín I

VVR

2

21AAoff R

RRlnRC

1

1lnRCt

E

.P.S

In

geni

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Téc

nica

Indu

stria

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p.El

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Elec

tróni

ca d

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tenc

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ores

:Circ

uito

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DIAC(Diode Alternative Current)elemento de pequeña potencia utilizado para disparar al triac

El Diode Alternative Current es un dispositivo formado por tres capas de silicio con la estructura (npn ó pnp) y dos terminales principales de conducción. No tiene terminal de control.No tiene terminal de control.

La característica V - I del dispositivo característica V - I del dispositivo no es linealno es lineal, aunque es simétrica en es simétrica en ambos sentidos de circulaciónambos sentidos de circulación, Es decir, se trata de un dispositivo bidireccional y simétricobidireccional y simétrico.

E

.P.S

In

geni

ería

Téc

nica

Indu

stria

l: Es

p.El

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nica

Elec

tróni

ca d

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Vth

VcΔV

VBO

α

Disparo por DIAC

E

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Elec

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Este cto sufre un fenomeno de histeresisfenomeno de histeresis: para una misma para una misma potencia, el ajuste del potenciometro difiere según se esté potencia, el ajuste del potenciometro difiere según se esté reduciendo o aumentando la potencia en la carga.reduciendo o aumentando la potencia en la carga. Este Este fenómeno es producido por la carga residual del condensador.fenómeno es producido por la carga residual del condensador.

V2,0

V3,0

E

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Diseño de la red de temporización

Para el diseño de la red de temporización deberemos calcular el valor de los componentes R3 – C para que el ángulo de conducción C pueda variar entre los límites deseados.

La resolución analítica de este tipo de circuitos es laboriosa, por lo que se han confeccionado una serie de curvascurvas para poder llevar a cabo el diseño.

Estas curvas expresan la relación existente entre el nivel de tensión con expresan la relación existente entre el nivel de tensión con que se carga C, normalizada respecto al valor eficaz de la tensión de que se carga C, normalizada respecto al valor eficaz de la tensión de línea en función del ángulo de conducción y del parámetro línea en función del ángulo de conducción y del parámetro = 2RCf, = 2RCf, siendo f la frecuencia de la tensión de la línea.siendo f la frecuencia de la tensión de la línea.

E

.P.S

In

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Téc

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Indu

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Elec

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fCP2 1MAX1 C

fCP2 1MIN2 C

RMS(línea)

PP

V

VVV

E

.P.S

In

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Diseñar el cto de control de potencia de onda completa con DIAC, sabiendo que presenta doble constante de tiempo.

TRIAC (MAC3020): VDRM = 400V; IDRM = 2mA; VTM = 2V; IH = 40mA;

MT2 (+), G(+) IGT = 30mA VGT = 2V MT2 (-), G(-) IGT = 30mAVGT = 2V

DIAC ( DB3 ): V(BR) 12 = V(BR) 21 = 32V; V12 = V21 = 5V

Fijamos C2 de 0.1 µF,

268.0

220

53232

V

VVV

EF(línea)

PP

ángulos de conducción C1 = 30º y C2 = 150º

K35050101.02

5.3

fC2

)(R

62

C12

(C1) 3.5 ; (C2) 0.25

25K

50100.12

0.25

fC2

)(R

62

C22

El valor de R1 debe ser menor que la valor máximo de R2, por lo que R1 tomará un valor de 100K.

E

.P.S

In

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Ángulo de conducción mínimo

Ángulo de conducción máximo

Vth

Vc

E

.P.S

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Acopladores ópticos con tiristores

Un acoplador óptico, está constituido por la asociación dentro de una asociación dentro de una misma cápsula de un fototiristor y de un diodo LEDmisma cápsula de un fototiristor y de un diodo LED. Este tipo de dispositivos nos va a permitir un buen aislamiento galvánicoaislamiento galvánico entre el cto de potencia y el de control.

En la figura siguiente tenemos representado el esquema interno de un acoplador óptico con tiristores y su aplicación al control

Cargas Resistivas

E

.P.S

In

geni

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Téc

nica

Indu

stria

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p.El

ectró

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Cto de control de potencia con opto-acoplador y triacNos basaremos en el cto de la figura:

RC limita la corriente a través del optoacoplador. El máximo valor de la corriente permitida a través del optoacoplador (ITSM), determina el valor mínimo de RC. Considerando una tensión de red de 110V, cabe esperar un pico de tensión VIN(pk).

187V2110V1.2VIN(pk)


8.1551.2

187

I

VR

TSM

IN(pk)Cmín

957.75I

VV(máx)R

GT

TMIHC

De fabricante VTM = 1.8V y que IGT = 40mA

En la práctica, RC suele estar comprendido entre los valores 310 y 460.

(Triac)Vador)(OptoacoplVIRV GTTMGTCL

E

.P.S

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Ejemplo de interface para control digitalEjemplo de interface para control digital

E

.P.S

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Arrancador estático de motor corriente alterna

Arrancador con cambio de giro

E

.P.S

In

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:Circ

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http://www.ipes.ethz.ch

Pantalla tutorial iPES

http://www.epe_asociation.org

http://www.iie.edu.uy/

t6disparoscr_ep_0506

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