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7/21/2019 circuitos de disparo.pdf

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UTN REG. SANTA FE ELECTRONICA II ING. ELECTRICA3-5 mtodos y circuito disparo tiristores.

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___________________________________________________________________Apunte de ctedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

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CIRCUITOS DE DISPARO DE TIRISTORES PARA RECTIFICADORES

CONTROLADOS

El circuito de disparo o excitacin de compuerta de los tiristores, es una parte integraldel convertidor de potencia. La salida de un convertidor, que depende de la forma enque el circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutacin (tiristores), es unafuncin directa del proceso de cmo se desarrolla la conmutacin. Podemos decirentonces que los circuitos de disparo, son elementos claves para obtener la salidadeseada y cumplir con los objetivos del sistema de control, de cualquier convertidorde energa elctrica.El diseo de un circuito excitador, requiere el conocimiento de las caractersticaselctricas de compuerta del tiristor especfico, que se va a utilizar en el circuito principalde conmutacin. Para convertidores, donde los requisitos del control no son exigentes,puede resultar conveniente disearlo con circuitos discretos. En aquellos convertidores

donde se necesita la activacin de compuerta con control de avance, alta velocidad, altaeficiencia y que adems sean compactos, los circuitos integrados para activacin decompuerta que se disponen comercialmente, son ms conveniente.Las partes componentes de un circuito de disparo para tiristores usados en losrectificadores controlados por fase, a frecuencia industrial, son los siguientes: Elcircuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar el disparo, el circuitoconformador del pulso, el circuito amplificador del pulso (opcional), el circuito aisladory finalmente el circuito de proteccin de la compuerta del tiristor. El diagrama enbloques siguiente, nos da una idea gral, de la Inter relacin de estos componentes:

Tensin CAde la redelctrica

Sincronizador(Detector de

cruce por cero)

Circuito conbase de tiempopara el retardodel ngulo de

disparo

EntradaSeal decontrol

Generacin yamplificacin delpulso de disparo

Aislador delcircuito de

disparo con loscircuitos de

conmutacin

Proteccin dela compuerta

del tiristor

SCR1SCR2

.

.SCRn

Carga


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2

Circuito sincronizador:Este circuito, se encarga de iniciar la base de tiempo ensincronismo con la frecuencia de red, de manera tal de retrasar el mismo ngulo(respecto al cruce por cero de la tensin de red), el pulso de disparo, en todos lossemiciclos.

Entrada seal de control:Esta seal es la que determina el retraso del ngulo dedisparo, seal generada en forma manual o a travs de un sistema realimentado. Paraeste ultimo caso, la seal se genera por la interaccin de la seal de referencia, la sealrealimentada y el algoritmo de control (proporcional, proporcional+integrador, etc.).

Circuito base de tiempo:En los circuitos analgicos, la base de tiempo se genera pormedio de un circuito tipo RC, o sea a travs de la carga de un condensador, con unaconstante de tiempo =CR., hasta una tensin que genera un pulso de disparo. En lossistemas programables, la base de tiempo se genera por programacin o por medio deun temporizador interno que se carga tambin por programacin.

Generacin de los pulsos de disparo:Para la generacin de los pulsos, se disponen demuchas variantes de circuitos, con aplicacin de transistores bipolares o mediantesemiconductores especficos, que generan, cortos pulsos de disparo.

Circuito de aislamiento entre el generador de pulsos y el circuito convertidor:fundamentalmente se utilizan dos tcnicas. Una es la de utilizar un transformadoraislador de pulsos y la otra un dispositivo semiconductor foto controlado de silicio,tambin llamado opto acoplador. Otra tcnica utilizada es a travs de las fibras pticascon emisor en el circuito de disparo y receptor en el circuito de compuerta.

Proteccin de la compuerta:Se utilizan circuitos de proteccin contra disparos portensiones espurias.Mas adelante, desarrollaremos con mas amplitud, estos elementos que componen elcircuito de disparo.

SEMICONDUCTORES QUE GENERAN PULSOS DE DISPARO

Existen una gran variedad de dispositivos semiconductores que pueden utilizarse paragenerar pulsos de disparo. Entre ellos tenemos aquellos que actan como transistores yotros lo hacen como tiristores. Se los utiliza para generar pulsos de disparo en circuitosde relajacin (osciladores) o como disparadores por nivel de tensin.

Transistores disparadores:

UJT : Transistor unijuntura.CUJT: Transistor unijuntura complementarioDIAC: Disparador bidirecional tipo npn.

Tiristores disparadores:

PUT: Transistor unijuntura programable.LAPUT: Transistor unijuntura programable activado por luz.DIODO SCHOCKLEY: Diodo tiristor.

SUS : Conmutador unilateral de silicioDIAC: Diodo tiristor bidireccional


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SBS: Conmutador bilateral de silicio.ST4 : Disparador asimtrico de GE.Lmpara de Neon (poca aplicacin o muy limitadas)

Analizaremos solamente el funcionamiento y aplicacin de tres de estos dispositivos, elUJT, el PUT y el DIAC, que son los mas conocidos en lo que se refiere a susaplicaciones.

Transistor unijuntura (UJT)

Es un dispositivo semiconductor compuesto por tres terminales; en dos terminales,denominados base 1(B1) y base2 (B2), se sita una resistencia semiconductora (tipo n)denominada resistencia interbase RBB, cuyo valor varia desde 4,7 a 10 K. En unpunto determinado de esta resistencia, se difunde una zona p que forma una junturadidica que se conecta al tercer terminal, denominado emisor (E). El grafico muestra

la caracterstica V-I del emisor respecto a la base1 (B1), el smbolo del UJT y sucircuito equivalente:

La polarizacion se realiza aplicando una tensin positiva a la base B2 (VBB5 a 30 volt)La mxima tensin aplicada, esta limitada por la disipacin del UJT.

___________VBB= RBB. VDmax. La corriente IB2vale:

IB2= VBB/ RBB

IE

IV

IP

IEBO VV VK VP VE

Emisor Base 2

Base 1Smbolo

Circuito elctricoequivalente

Caractersticas tensin corrientedel terminal Emisor-Base 1


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El UJT se dispara cuando la juntura pn se polariza directamente.Si la tensin del emisor (VE) es menor a (VC), circula por la juntura una corrienteinversa denominada IEBO. Cuando la tensin del emisor supera a la tensin VC, la

juntura se polariza directamente la corriente del emisor se hace positiva , inyectandoportadores minoritarios en la porcin de la resistencia RBB, comprendida entre el diodoy la base 1(B1), haciendo que este tramo, aumente drsticamente su conductividad ydisminuya su resistencia elctrica. En esta situacin, la tensin del emisor disminuyecuando la corriente del emisor aumenta (zona de resistencia negativa), dado que latensin VC= VBB .R1 (R1+R2) disminuye al disminuir R1. El la grafica V-I estefenmeno comienza en el punto VP. IP.. La corriente queda limitada solamente por laresistencia R1 y la de la fuente de tensin que polariza al emisor. ( se produce un pulsode corriente de magnitud).La tensin VE, para producir el disparo o sea VP, vale:

VP = (R1/R1+R2). VBB + VD. = .VBB+VD

R1/ (R1+R2) se le denomina relacin intrnseca y tiene un valor en particular paracada tipo de UJT. La relacin intrnseca toma un valor entre 0,45 y 0,82.La VBB, se denomina tensin nter bsica y es la tensin que se aplica entre las basesB1 y B2.La VD es la tensin umbral de polarizacion directa de la juntura PN, cuyo valor esaproximadamente de 0,56 volt a 25 C y disminuye en aprox. 2 mv / C.Cuando IEaumenta, VEdisminuye (zona de caracterstica negativa) hasta un valor dadopor IV, VV, donde nuevamente comienza aumentar. Si al dispositivo, lo hacemostrabajar por debajo de los valores de IVy VV, el valor de R1 retoma su valor original. Sila tensin de emisor se mantiene constante y mayor que VV, R1 se mantiene en su valor

bajo y no se reestablece.En la aplicacin, la tensin de disparo VE= VP, se debe mantener constante; pero comovaria con la temperatura, debido la valor de VD, resulta entonces necesario compensaresta variacin. El procedimiento es colocar una resistencia de carbn en la base B2que tiene un coeficiente de variacin positivo, para contrarrestar el coeficiente negativode la juntura pn. La figura muestra el circuito:


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El valor de RB2 se calcula de la siguiente forma:

Vp = VD + . VBB. (1)

VBB= Vcc RB2.IB2 (2)

IB2 = Vcc / (RBB + RB2) (3)

Reemplazando (3) en (2) y luego en (1) obtenemos:

Vp = VD + . VCC - .Vcc. RB2/ (RBB + RB2) como RBB >> RB2:

Vp VD + . VCC - .Vcc . RB2/ RBB

Como el coeficiente de temperatura de RBBes de + 0,008%/C y el de RB2 es de

+0,004%/C, entonces tanto VD como el termino .Vcc . RB2/ RBB sufren las mismasvariaciones con la temperatura. Si hacemos:

VD = .Vcc. RB2/ RBB la formula anterior nos queda:

VDp= . VCC

El valor de RB2 para que se cumpla lo anterior, lo obtenemos despejando de laigualdad anterior como:

RB2 = VD. RBB/ (VCC. )

Si en la base B1 se conecta una resistencia RB1 entonces el valor de RB2 se lo debeincrementar en (1-.RB1) / quedando:

RB2 = VD. RBB/ (VCC. ) + (1-.RB1) /

Oscilador de relajacin con UJT


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El transistor unijuntura, se lo utiliza como oscilador de relajacin, para generar pulsosde disparo. El circuito trabaja de la siguiente forma. El capacitor, conectado entre elemisor y la base1 se carga exponencialmente con una constante de carga (base detiempo) dado por el producto de CE.RE. Cuando se llega al valor de la tensin dedisparo VP. el capacitor se descarga a travs del emisor, rpidamente, dado por laconstante de descarga de CE.( R1.+ RB1.). Cuando se llega al valor VE.= VV. , elemisor se bloquea, parando la descarga del capacitor y nuevamente comenzando el ciclode carga. La grafica muestra la forma de onda en el capacitor ( VE.= VC.) y la sealpulsante en los extremos de RB1

Para calcular el periodo de los pulsos, partimos de la tension de carga del condensador:

VC= Vcc. (1 e-t/R.C)

Para nuestro caso el tiempo T1 lo calculamos para Vcc = Vcc VV y VC.= VP.

VC= (Vcc_VV). (1 e

-T1/RE.CE

)Despejando el tiempo T1 obtenemos:

T1 = RE.CE . ln ( VCC.- VV ) / (VCC.- VP ).

El tiempo T2 de descarga es difcil de calcular por la variacin que sufre la resistenciade descarga a travs de R1 y RB1. Para el caso de RB1 = 0 el valor de T2 valeempricamente:

T2 (2+5.C). VEsat.

Donde VEsat es el valor dado en las caractersticas del UJT para IE= 50 mA.No obstante en las aplicaciones para disparo de tiristores, resulta T1 >>T2 por lo cual elperiodo lo calculamos como:

T = T1+ T2 T1

La expresin para el periodo se puede simplificar si hacemos VV 0

T = RE.CE . ln VCC./ (VCC.- VP ).

Por otra parte como Vp = .Vcc reemplazando:

T= RE.CE . ln VCC/ (VCC.- .Vcc). = RE.CE . ln 1 / (1-)

Para un transistor unijuntura para disparo de tiristores como el 2N2646, el valor de larelacin intrnseca vale 0,63, entonces reemplazando tenemos:

T = RE.CE.

Las condiciones de diseo para un circuito de disparo de tiristores con UJT, no son muyrigurosas. La resistencia RB1 se limita a un valor inferior a 100 . En algunas

aplicaciones su valor podr valer entre 2000 y 3000 . Si el pulso de disparo se toma delos extremos de RB1, este tendr que tener un valor tal que la tensin continua


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producida por la corriente interbase, no tome un valor superior a la de disparo deltiristor.

VGtmax > RB1 . Vcc / ( RBB+RB1 +RB2.)

El resistor RE de tener un valor comprendido entre 3 Ky 3 M, para permitir que elcircuito oscile. Si es muy grande, es posible que no llegue a la tensin de disparo. Si esmuy chico, el UJT se dispara pero luego entra en la zona de resistencia positiva y novuelve a bloquearse.

Sincronizacin de los osciladores de relajacin

El periodo de oscilacin T de estos osciladores no es muy preciso, por lo que resultaconveniente sincronizarlos con una frecuencia de mayor precision. Existen variosmtodos por ejemplo ingresando pulsos de amplitud negativa en B2 para reducir la

tensin interbase, reduciendo as la tensin de disparo y obligar al UJT a dispararse.

Cuando se utiliza el transistor unijuntura para generar pulsos de disparo para tiristorespara el control de potencia elctrica en sistemas elctricos de frecuencia industrial (50 o60 Hz) se realiza de diversas formas el sincronismo con la frecuencia de la red. En todosellos se aprovecha el cruce por cero de la tensin. Una forma es alimentar el osciladorde relajacin con UJT con una tensin rectificada de onda completa y estabilizada conun diodo Zener. De esta forma cuando la tensin pase por cero, todo el circuitoprcticamente esta con valor cero, el capacitor CEesta descargado y de esta forma encada semiciclo la base de tiempo genera el pulso de disparo en el mismo periodo detiempo T o de otra forma podr disparar al tiristor con el mismo retraso de tiempo ongulo, con respecto al cruce por cero de la tensin de red.El diodo zener cumple la funcin de estabilizar la tensin de alimentacin del generador

de pulsos, permitiendo en cada semiciclo generar el pulso, con la misma tensin dedisparo Vp.

Entrada pulsos desincronismo

Salida de pulsossincronizados


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En el siguiente circuito, se muestra el circuito de sincronizacin junto al generador depulsos:

Control manual de potencia elctrica para un convertidor CA a CC (rectificadorcontrolado)

Este sistema de control, si bien es obsoleto tecnolgicamente hablando, tieneimportancia del punto de vista conceptual dado que nos da las ideas fundamentales delcontrol por fase y la importancia de la sincronizacin con la frecuencia de red.En el circuito la sincronizacin se logra rectificando la tensin alterna en los extremosdel Triac y alimentando el circuito de disparo. En este caso se utiliza un transformadorde pulsos para aislar el circuito de disparo (alimentado con tensin de +24 Volt)respecto a la tensin de alimentacin de la carga (220 V ca)La potencia en la carga se controla retrasando el disparo del triac respecto al cruce porcero de la tensin de alimentacin. Para ello se modifica la base tiempo que carga alcapacitor CE, por medio de un potencimetro RE. Para este circuito si quisiramosadaptarlo para un sistema de control automtico, el potencimetro RE, debera

reemplazarse por un transistor que controle la corriente de carga del capacitor CE, enfuncin de la seal de control

Tensin dealimentacin parasincronizacin

Pulso dedisparo


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En la prxima figura se grafican las formas de ondas del circuito, as como la variacinde la potencia en la carga en funcin del porcentaje del valor de RE.

Se puede apreciar que no tenemos linealidad entre el valor de la resistencia RE y elvalor de la potencia controlada sobre la carga.

Vtriac

VsVzVp

VE

Vdisp

%VL100

80

60

40

20

0 25 50 75 100 %RE

t

t

t


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Control pedestal

Este mtodo de control, consiste en cargar en forma rpida (cte RC bajo) al capacitorexponencialmente hasta la tensin de disparo Vp. De esta forma, la tensin de disparoqueda determinada por el divisor de voltaje resistivo de potencimetro, como muestra elcircuito:

En la grafica se observa que tenemos una variacin brusca en el control de la potenciaelctrica sobre la carga, con la variacin de la resistencia del potencimetro. Estecontrol podra aplicarse el control todo o nada como el caso de los rels estticosasincrnicos. Este sistema manejado desde un sistema de control automtico se podra

hacer funcionar mediante un transistor, controlando la corriente de base, como muestrala figura:

Para este caso cuando el transistor pasa al corte, haciendo la corriente de base cero, ElUJT se dispara en el inicio de cada ciclo entregando a la carga la potencia mxima.Cuando el transistor esta conduciendo, el capacitor queda cargado con una tensin baja(VBEsat) y por lo tanto nunca se llega a la tensin de disparo Vp, del UJT; por lo que

no se entrega potencia a la carga.

0 30 60 100 Rp

VL(%)100

0

VL

ib


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Control por pedestal y rampa exponencial

Este mtodo, es una combinacin de control por pedestal con rampa exponencial quepuede ser iniciada a partir de una tensin pedestal (precarga del capacitor a travs delpotencimetro y el diodo). La tensin pedestal esta determinada por el divisor resistivo

que fija el potencimetro y el tiempo de precarga, es rpido dado el valor bajo deRp.CE. El diodo bloquea una posible derivacin de corriente, cuando el capacitorsupera la tensin pedestal, ahora en su carga exponencial, a travs de RE.Los tiempos de disparo t1 y t2, se logran modificando el valor de la tensin de pedestal,con un mismo valor de constante de carga exponencial RE.CE.En la grafica del porcentaje de VL en funcin de la variacin del potencimetro,tenemos dos curvas 1 y 2, que corresponden para distintos valores de producto RE.CE.Para un determinado valor de este producto, se logra mejorar la linealidad de la funcingraficada.Una mejora en la linealidad comentada, se logra con el control pedestal, rampacosenoidal.

VsVzVpVc

Vp1Vp2

Vdisp.0 t1 t2

t

t

%VL100

0 100 %Rp

1

2

1 para RE1.CE2 RE2.CE


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Control por pedestal y rampa cosenoidal

El control por pedestal y rampa cosenoidal, es similar al caso anterior, con la diferenciaque la tensin de carga del capacitor, despus de su precarga (pedestal) es cosenoidal.

Para lograr este tipo de rampa, el circuito que carga al capacitor a travs de RE, debe seralimentado por una tensin alterna senoidal, tomada en la entrada del circuito desincronizacin, antes de ser recortada por el diodo zener. De esta forma, la tensin delcapacitor la podemos expresar como:

Vc = V1 + 1/CE.iE.dt como iEVmax/RE.sen wt reemplazando tenemos:

Vc = V1 + 1/CE.Vmax/RE.sen wt.dt

Vc = V1 + Vmax / RE.CE.w.( 1 cos wt ).Este tipo de control, es el que tiene la mayor linealidad entre el control de potencia en la

carga y la variacin de la tensin de pedestal (en este caso, a travs de unpotencimetro).

VsVzVp

Vc

Vp1Vp2

Vdisp.0 t1 t2

t

t

%VL100

0 100 %Rp

1

2

1 para RE1.CE2 RE2.CE


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Circuito completo de control manual de potencia elctrica monofsico

semicontrolado realizado con componentes discretos con SCR y UJT

Este circuito, de valor conceptual, nos muestra en forma sencilla, las etapas masimportantes de un convertidor de CA a CC (rectificador controlado). Para el caso elcircuito principal del convertidor, esta formado por el puente semicontrolado, formadopor los diodos D1 y D2 y los tiristores (SCR) T1 y T2. Para alimentar el circuito desincronizacin, control y generacin de los pulsos de disparo, se recurre al puente

monofsico formado por los diodos D1, D2, D3 y D4.Si este circuito forma parte de un control de tipo realimentado, con seal de referencia,la tensin de control ingresa directamente en el nodo del diodo para controlar elpedestal. (Precarga del capacitor CE).

Problema:Disear el circuito rectificador media onda con SCR con circuito de disparocon UJT, con control exponencial:


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a) Seleccin del SCR:

Consideramos el caso mas desfavorable o sea la carga mxima con un ngulo deconduccin de 180, con una carga RL = 100 .

_ _ITM = (1/2).0(2.220/RL). Sen wt dwt = (2.220/RL.) = 1 A (corriente media)

______________________________ _ITef. = (1/2).0

(2.220/RL)2. Sen2wt dwt = (2.220/RL.2)=1,55 A (corriente eficaz)_

VRWM= Vm = 2.220 V = 310 Volt (tensin mxima inversa repetitiva).

A estos valores mximos es aconsejable adicionar factores de seguridad comprendidosentre 2 y 3. Si tomamos 2, entonces debemos seleccionar en 1 instancia un SCR conlos siguientes valores elctricos:

ITM 2AITef.3 AVRWM 600 volt

b) Calculo del circuito de disparo

b1) Determinacin de RB1:La finalidad de RB1 es evitar como dijimos, disparos

imprevistos del SCR (con trafo de pulsos no se coloca), al drenar parte de la corrienteque circula por el UJT por la resistencia internase RBB. Por lo tanto debe ser lo mas

bajo posible, siempre que asegure el disparo del SCR. Utilizaremos un UJT 2N4947 quetiene las siguientes caractersticas, para una tensin de alimentacin de 20 volt:

RBB = 6 K, = 0,60 , Iv = 4 mA , Vv = 3 volt , Ip = 2A.

IR1= 20 V / (RB2+RBB+RB1) 20 V / RBB = 20 v/ 6 K = 3,3 mA

Dado que la mayora de los SCR se disparan con una tensin de 0,7 a 1 volt, tomamosentonces una tensin sobre RB1 de unos 0,3 volt. De esta forma nos permite un margende tensin de ruido de o,4 volt (0,7-0,3), que es un valor aceptable.

RB1 = VRB1/ IRB1= =,3 V / 3,3 mA 100

b2) Calculo de RB2 :Esta resistencia tiene la misin de estabilizar trmicamente a los

UJT. Se determina experimentalmente o por medio de graficas. Para la mayora de losUJT, se estabilizan con resistencias de valor entre 500 a 3 K. Nosotros la vamos acalcular con la formula terica desarrollada anteriormente:

RB2 = VD. RBB/ (VCC. ) + (1-.RB1) / = (0,6.6)/(20.0,6) + (1-0,6)/0,6.0,1 = 315

Adoptamos RB2 = 470


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b3) Determinacin de REmin, REmax y el capacitor CE.

Previamente, debemos observar la grafica de la caracterstica V-I del Terminal deEmisor del UJT

Determinaremos primero, el valor de REmax que permite que el UJT se dispare. Seproducir cuando el capacitor se cargue con la tensin Vc = Vp, a traves de Re y Vzcomo tensin de alimentacin, Como vemos en la grafica, entonces el valor de REminvale:REmin = (Vz-Vp) / Ip = (Vz- Vz.) / Ip = (20 20.0,6) / 2A = 4 M

Esto significa que RE deber ser menor de 4 Mpara que la tensin en el capacitor,llegue a la tensin de disparo Vp del UJT.Para calcular RE min, es necesario que la recta de carga no intercepte un punto de lacaracterstica V- I del UJT que presente resistencia positiva, porque si ocurre esto , elUJT se dispara una vez y luego queda bloqueado. En la grafica, vemos que el puntolimite, esta dado para IV y Vv . El valor mnimo de RE lo calculamos como:

REmin = ( Vz- Vv) / Iv = (20 V- 3 V) / 4 mA = 4,25 K

El valor REmin calculado, significa que RE no debe ser inferior a 4,25 Kpara que elUJT, una vez disparado, vuelva a bloquearse.

Adoptamos RE min = 10 K.Para calcular el valor de la resistencia del potencimetro de manera tal que

RE = RE min + REp

Nos conviene tomar la media geomtrica en lugar del valor promedio, dado que los dosvalores extremos difieren mucho:

____________ __________RE = REmin.REmax = 4,25 . 4x103 64 K

Con este valor, podemos calcular el capacitor, teniendo en cuenta que llegue a la tensinde disparo Vp en el tiempo de t= T/2, cuando RE tiene su valor mximo.

IE

IV

IP

IEBO VV VK VP

Emisor IE Base 2

Base 1VESmbolo

Caractersticas tensin corrientedel terminal Emisor-Base 1

REmax REmin

Vz VE


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tCE.RE para 0,6

t = T/2 = 20 mseg/2 =10 mseg

CE = 10 msg / 64 K= 0,156 F.

Un valor de CE fcil de conseguir es de 0,1 F, por lo que conviene recalcular el valorde RE:

RE = t / CE = 10 mseg / 0,1 F = 100 K

Adoptamos entonces un potencimetro lineal de 100K

C) Calculo del diodo Zener y Rs

IEmax = Vz / REmin = 20 v / 10 K= 2 mA ;

IR1 = Vz / ( RB1+RBB+RB2) 3 mA

Estos dos ltimos valores representa la corriente de carga del circuito regulador paralelocon diodo Zener. Para evitar la tensin de codo del diodo Zener, adoptamos un valor dela corriente de zener de 20 mA, de manera tal que cualquier variacin de la corriente decarga, prcticamente no influye sobre la tensin de zener. Para que por el zener circulela corriente adoptada, debemos limitarla con la resistencia Hrs., de manera que su valor,lo podemos determinar como:

Rs = (Vm Vz) / (Iz+ IEmax + IR1 ) = (310 V- 20 V) / 25 mA = 11,6 K

Adoptamos un valor de Rs. = 12 KFinalmente para seleccionar esta resistencia, debemos conocer su disipacin mxima:

Pinst = (Vm-Vz)2/ Rs = (310-20)2/ 12 = 3,3 W

Adoptamos una resistencia que disipe 5 W.

El diodo Zener lo adoptamos para VZ = 20 volt y Pdz = Iz . Vz = 20 mA . 20 V =0,4 W

Adoptamos un diodo zener de W.

Finalmente nos queda determinar el diodo D que, junto con la seal alterna provee lasincronizacin y alimentacin del circuito de disparo. En este caso la corriente mximaque circulara por este diodo, ser la suma de todas las corrientes parciales:

ID = IZ + IE +IR1 = 20 + 2 +3 = 25 mA.

La tensin inversa mxima que soporta resulta:_ _

VRWM = Vm.2 = 220 .2 = 310 volt.


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Adoptamos un diodos estndar como el 1N4005, 1N4006 o el 1N4007, que soportanuna corriente mxima de1 A y una tensin inversa mxima repetitiva de 600, 800 y1000 volt respectivamente.

Diseo prctico de un circuito de disparo con UJT de tipo pedestal, control

cosenoidal

Tomaremos como ejemplo el mismo caso anterior, remitindonos al clculo de loscomponentes del circuito de disparo, segn lafigura:

1) Los valores de Rs., RB1, RB2, se determinan en forma similar al problema anterior.

2) El potencimetro que fija la tensin de pedestal se fija en forma practica en 5Ky siadoptamos CE = 0,1 F, entonces el tiempo que toma en cargarse CE con la tensinpedestal es de :

t = Rp.CE = 5K.0,1 F = 0,5 mseg. Como vemos se carga carga en un tiempo de 5%del tiempo de medio ciclo de 10 mseg.3) El valor de RE se lo calcula partiendo de una tensin de pedestal de cero volt y unpulso de disparo en 180 o sea en 10 mseg. Como la carga del condensador escosenoidal, entonces obtenemos RE de la formula de carga del capacitor CE:

Vc = V1 + Vmax / RE.CE.w.( 1 cos wt ).

vs

Vped

t de disparo wt180

Vped=0

VsVzVpVc


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Para el caso V1 = 0 , cos 180 = -1 , Vc =.Vz = 0,6. 20

Reemplazando estos valores en la formula anterior y despejando RE tenemos:

RE = (Vm . 2) / ( Vz . . CE. W) = 1,56 M

El diodo D1 se adopta estndar como por ejemplo 14007 dado que la corriente quecircula por el mismo es mnima lo mismo su tensin inversa.

Conceptos para utilizar el circuito anterior en un sistema de control realimentado.

Para este caso, la seal de control realimentada, obtenida como seal de error,amplificada, compensada y adaptada al circuito, se aplica como tensin de pedestal paracontrolar el ngulo de fase. La figura siguiente, nos muestra el circuito simplificado:

Transistor unijuntura programable PUT

Este dispositivo, tiene un comportamiento similar al UJT, con la diferencia que larelacin intrnseca se puede programar, mediante un divisor resistivo.A pesar de llamarse transistor, su estructura es la de un tiristor en el que el Terminal depuerta G se toma del lado del nodo en lugar del de ctodo (base del transistor pnp)

P

N

P

N

nodo (A)

Ctodo (C)

Puerta (GA)

A

C

GA

Smbolo


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La forma tpica de polarizar al PUT, es la que se muestra en el circuito (A) de lasiguiente figura:

El circuito (B) se obtiene aplicando Thevenin en en el Terminal de compuerta siendo:

VT= (Rp.VGG) / ( PR+R1) y RT= (R1.Rp) / ( R1+Rp)Para una VTdeterminada y mientras VAA< VT, la corriente de nodo IA esprcticamente despreciable, estando el PUT en estado de bloqueo. Si VAA> VTen unacantidad " Vp" , se produce una inyeccin de portadores de carga por el diodo formadopor el Terminal del nodo y compuerta, dando comienzo a la realimentacin interna queprovoca el estado de conduccin de PUT entre el nodo y el ctodo.Una vez activado el PUT si disminuimos la tensin VAAde manera que la corriente pase

por debajo de un valor llamado de valle IV (mnima de mantenimiento), el PUTnuevamente pasa al estado de bloqueo, de manera similar al UJT.La prxima figura muestra la caracterstica V-I de los terminales nodo-ctodo para undeterminado valor de RTy VT

En forma similar al UJT, el PUT se utiliza para disparar tiristores en un circuito derelajacin, sincronizado con la frecuencia de red. Sintetizando, el PUT puedereemplazar al UJT en los circuitos de disparo que hemos analizado, conectando elTerminal nodo del PUT con el Terminal que corresponde al emisor del UJT y elctodo del PUT, con el terminal base2 del UJT. Se deber agregar un divisorresistivo, para programar la relacin intrnseca .

VACVp

Vs

VA

VV

IGAo Ip Iv IA IAC


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La siguiente figura, muestra un circuito de disparo con PUT con control exponencialdonde se ha agregado un divisor resistivo en la compuerta (R1, Rp) y su fuente dealimentacin (D1, C1).

Generacin de pulsos con DIACEl DIAC es un tiristor doble, conectado en antiparalelo, sin compuerta, que tiene laparticularidad de conducir corriente en los dos sentidos de sus terminales, cuando latensin en sus extremos supera el mximo voltaje de bloqueo directo VBO.El dibujo siguiente, muestra la estructura interna, su smbolo y su caracterstica V-I:

P1

N2

P2

N3

A2

A1

IA

VA2> VA1

IA

VA1> VA2

A2

A1

Smbolo

10 mAVBO=-20 a-30 V

VBO=20 a 30 V-10 mA


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Como se puede ver en la estructura interna el DIAC esta compuesto por dos tiristorescompuestos por:

P2N2P1N1para V21 >0

P1N2P2N3para V12


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El DIAC esta conectado por un extremo a la compuerta del TRIAC; por el otro a uncapacitor que forma parte de un circuito defasador de tensin, tipo RC. De esta forma latensin del capacitor estar retrasada respecto a la tensin de lnea. Cuando la tensindel capacitor llega a la tensin de activacin del DIAC, este se dispara, inyectando unpulso de corriente en la compuerta del TRIAC, activndolo. Cuando este ltimo seactiva, cae la tensin del circuito de disparo, por estar conectado a los terminales delTRIAC, haciendo que el DIAC pase al estado de bloqueo y el capacitor se descargue.Para el semiciclo negativo, el capacitor se carga inversamente, y cuando llegue a latensin de activacin del DIAC, se producir un pulso de corriente con polaridadopuesta, haciendo activar el TRIAC en sentido inverso. Conectando al TRIACadecuadamente, se los puede disparar en los dos cuadrantes con mayor sensibilidad.

Determinacin del ngulo mnimo de activacin del DIAC:Este se producir cuando

el valor de R = R1+Rp = 0 y la tensin de alimentacin tome el valor de activacin del

DIAC o sea VBO .VBO = Vm, sen min

min = arc.sen (VBO/Vm)

Determinacin del ngulo mximo de activacin del DIAC:

max = - min =- arc.sen (VBO/Vm)

Clculo de la constante de tiempo R.C para el ngulo de activacin mximo:

Partimos de la formula de carga de un capacitor con tensin previa

Vc = vo + 1/C i dt como i = (vs vc) / Rvs / R y vs = Vm. Sen wt

Vc = vo + 1/C vs/R dt = vo + 1/C.Vm/R.sen wt dwt

Vc= vo + (Vm/R,C.W)[1-cos wt]0wt

Para Wt = max. = - min =- arc.sen (VBO/Vm)= T/2

Vc = VBO = vo + (Vm/R,C.W)[1-cos wt]0= vo + (2.Vm) / ( R.C.W).

Despejando la constante de carga obtenemos:

R.C = (2.Vm) / (VBO vo).W

Seleccionando el valor de R o de C, obtenemos el otro.

Consideraciones practicas del circuito de control con DIAC y TRIAC

1) Este circuito, en la prctica tiene histresis, respecto a la variacin de la constante

CR., para variar la potencia en la carga, debido a la carga residual del capacitor. Paraevitar este inconveniente se reduce con el mtodo de control por doble constante de


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tiempo, que hace que el capacitor C2 (de la prxima figura) siempre mantenga unacarga residual, prcticamente constante, anulando el efecto de histresis.

2) Si la carga que se controla es fuertemente inductiva, se producir un defasaje entre lacorriente circulante por el TRIAC y la tensin de alimentacin. En este caso cuando lacorriente se hace cero, puede ocurrir que la tensin de alimentacin en ese momento,tiene un valor elevado y el TRIAC no la pueda bloquear dado que la aplicacin asuperado su mxima dv/dt. Por ello, al circuito anterior se lo debe proteger contra ladv/dt, colocando un circuito serie RC (red amortiguadora), en paralelo con el TRIAC. Elvalor de R y C necesarios, se determina por clculo o por graficas (bacos)suministradas por el fabricante, dados en funcin de la corriente eficaz y mxima dv/dtdel TRIAC.3) Cuando se utiliza este circuito para control de iluminacin con lmparas

incandescentes, se debe tener precaucin cuando se selecciona el TRIAC, que nosolamente se debe tener en cuenta la corriente eficaz que soporta, sino tambin lamxima corriente pico que admite el TRIAC. Esto es necesario tenerlo en cuenta,especialmente en las lmparas de iluminacin incandescentes dado que su resistenciaelctrica en fro es muy baja, siendo la corriente de choque o inicial, cuando se prende lalmpara, muy alta. En lmparas de alta potencia la Inicial / I nominal es de 15:1 y enlmparas de baja potencia 10:1.4) Otro aspecto a tener en cuenta, es que los circuitos de control con variacin delngulo de fase pueden producir interferencias de radiofrecuencia, en el momento de laconduccin, debido a los picos de la corriente producidos por la conexin a la carga auna tensin no nula. Para evitar estas interferencias, se pueden colocar filtros de

provisin comercial para red industrial, o un filtro como muestra la siguiente figura:


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Circuito practico final

AISLACION Y AMPLIFICACION DE LOS CIRCUITOS DE DISPARO

En los convertidores de potencia elctrica con tiristores, como el caso de losrectificadores controlados, existen diferencias de potencial entre los diversos terminales.El circuito convertidor, propiamente dicho, esta sujeto por lo general, a tensioneselctricas superiores a los 100 volt, mientras que los circuitos de control y formacin depulsos de disparo, trabajan con tensiones elctricas de baja magnitud. (Para los circuitosde disparo de compuerta, entre 12 y 30 volt). De all la necesidad de contar con uncircuito de aislamiento entre un tiristor individual y su circuito generador de pulsos dedisparo. El aislamiento se logra utilizando opto acopladores y transformadores depulso.

Opto acopladores:Los opto acopladores son circuitos con semiconductores que tienen en su entrada undiodo emisor de Luz, normalmente del tipo de emisin infrarroja (ILED, de infrared

Light-emitting diode)y en su salida , tiene un semiconductor detector de luz, comopor ejemplo un fototransistor, un fotodarlington o un fototiristor. Ambos circuitos,estn acoplados mediante un dielctrico transparente, proporcionando, entre ellos, unaaislamiento elctrico, entre 5 y 15 KV. De esta manera el circuito de control y disparose conecta en la entrada del opto acoplador y la salida se conecta a la compuerta dedisparo del tiristor, asegurando entre ellos una alta tensin de aislamiento.Ejemplo:

Entrada Salida

Diodo emisorde luz (ILED)

Foto transistor

Tipos: HP24 6 KV aislamiento; HP23 , uso en fibras pticasHP22 10 a 15 KV aislamiento


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Existen en el mercado, opto acopladores con fototransistores con tiempos de subida ybajada muy cortos. Valores tpicos para el encendido (ton) son de 2 a 2,5 s y tiemposde apagado (toff) de 300 nseg. Estos tiempos de conmutacin, limitan las aplicacionesen alta frecuencia. En la prxima figura mostramos un opto acoplador con un fototiristordel tipo SCR:

Un pulso corto en la entrada del fotodiodo (proveniente de un UJT o PUT) activa alfoto-SCR y se dispara el tiristor de potencia T1. El inconveniente de este tipo deaislamiento, es la necesidad de contar con una fuente auxiliar separada (en el esquema+Vcc) y esto aumenta el costo y el peso del circuito de disparo.

Transformadores de pulso:Son transformadores especiales que permiten reproducir en los secundarios pulsos detensin de muy corta duracin. Son construidos con ncleos magnticos de granpermeabilidad, con aleaciones especiales como Hipersil, Permalloy o Ferrite. Tienen unsolo devanado primario y pueden tener uno o varios devanados secundarios. Con varios

devanados secundarios se pueden lograr seales pulsantes simultneas para excitacinde compuertas que exciten tiristores conectados en serie o en paralelo. Estostransformadores se caracterizan por tener una inductancia de fuga muy pequea, y eltiempo de subida del pulso deber ser muy pequeo. Con un pulso relativamente largo,y con baja frecuencia de conmutacin, el transformador se satura y la salida sedistorsiona.

Aislamiento y amplificacin de pulsos con transformadores de pulsoA continuacin veremos algunos circuitos tpicos de aislamiento y amplificacin depulsos:1)Amplificador de pulsos de corriente

Opto acoplador


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Este circuito amplifica y produce aislamiento del circuito generador de pulsos conPUT. Los pulsos de corriente generados por el PUT, son amplificados por el transistorbipolar Q1. El pulso de corriente de colector circula por el devanado primarioinduciendo en el secundario otro pulso de tensin que inyecta una corriente en lacompuerta del tiristor.

2) Generador de pulsos cortos con circuito diferenciador

Cuando aplicamos pulsos rectangulares positivos o de larga duracin a la reddiferenciadora, formada por C1R1, se generan pulsos cortos, positivo, en el flaco desubida y negativo, en el flanco de bajada. El pulso negativo, es bloqueado por eldiodo D1 conjuntamente con la juntura base-emisor de Q1. El pulso positivo, produce laconmutacin de Q1, hacindolo pasar a la saturacin, lo cual hace aparecer un voltaje(+Vcc) sobre el primario del transformador, induciendo un voltaje pulsante en el

secundario del transformador, que se aplica entre los terminales de compuerta y ctododel tiristor. Cuando el pulso se retira de la base de Q1, el transistor se apaga y se induceun voltaje de polaridad opuesta a travs del primario, haciendo conducir al diodo Dv(diodo volante o de corrida libre). La corriente, debida a la energa magntica disminuyea cero a travs de Dv. Durante esta disminucin transitoria, se induce el correspondientevoltaje inverso en el secundario.3) Generacin de pulsos largos

V1

t


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Se puede alargar el ancho del pulso conectando un capacitor C en paralelo con elresistor R. El transformador conduce corriente unidireccional y el ncleo magnticose puede saturar limitando as el ancho del pulso. (Se logran pulsos de 50 a 100seg)

4) Generacin de tren de pulsos

En numerosos convertidores de potencia elctrica, las cargas son del tipo inductiva, porlo que el periodo de conduccin de un tiristor depende del factor de potencia (FP) de lacarga. La consecuencia de esto, es que no se sabe exactamente el inicio de conduccindel tiristor (la corriente tiene un periodo relativamente largo para que el tiristor seactive). En este caso resulta conveniente disparar en forma continua a los tiristores.;pero esto hace aumentar las perdidas en el tiristor, por lo que resulta convenientedispararlo con un tren de pulsos. El circuito anterior permite la generacin de un tren depulsos, por la accin del devanado auxiliar N3. Cuando se aplica la tensin en la

entrada V1, el capacitor C1 se carga a travs de R1, haciendo conducir a Q1; estoprovoca conduccin en el devanado primario lo que induce un pulso de tensin en N2(hacia el tiristor) y N3, que polariza negativamente al diodo D1. Esto provoca el cortede Q1; al desaparecer la tensin negativa sobre D1, Q1 nuevamente conduce corriente,generando otro pulso, repitindose el proceso, lo que da lugar en la salida de N3, a untren de pulsos que durara hasta tanto se mantenga la tensin V1 en la entrada. A estetipo de circuito se le denomina Oscilador de pulsos de bloqueo.

5) Generacin de tren de pulsos con oscilador y compuerta lgica AND

Oscilador de pulsos


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----------------------------------------------------------------------------------------------------------A diferencia del circuito anterior, donde el mismo circuito que a travs del devanadoN3, se generaba el tren de pulsos, en este caso, se genera externamente, por medio deotro circuito, como por ejemplo, utilizando un CI555. Con una etapa de control yexcitacin del tipo de compuerta Y (AND), se logra controlar el inicio y final del trende pulsos, mediante la tensin V1.

Proteccin en los circuitos de compuerta

La salida de los circuitos de disparo, se conectan normalmente, para el caso de un SCR,entre la compuerta y el ctodo, junto con otros componentes que actan comoprotectores de la compuerta. Para el circuito (A) de la figura anterior, el capacitor Cg,cumple la misin de eliminar los componentes de ruido elctrico de alta frecuencia,aumenta la capacidad de dv/dt y el tiempo de retardo de la compuerta del tiristor.Para el circuito (B), el resistor Rg aumenta la capacidad del valor dv/dt del tiristor,reduce el tiempo de apagado y aumenta las corrientes de sujecin y enganche.

Para el circuito (C), el diodo Dg, protege la compuerta contra el voltaje negativo. Sinembargo, para los rectificadores controlados de silicio, como el SCR, resultaconveniente tener cierta cantidad de voltaje negativo en la compuerta, para mejorar lacapacidad de dv/dt y tambin para reducir el tiempo de apagado.Todas las funciones mencionadas en los circuitos de compuerta A, B y C puedencombinarse, como se observa en el circuito D, donde adems se agrego un diodo D1que permite solamente que pasen pulsos positivos y la resistencia R1 para limitar la

corriente de compuerta.

Documents

circuitos de disparo.pdf