Teoría Gener de Práct 1

8/8/2019 Teora Gener de Prct 1

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TEMA GENERAL DE LA PRCTICA 1:DISPOSITIVOS TIRISTORES DE DISPARO

CONTENIDO DE LA PRCTICA:TRANSISTOR MONOUNIN PROGRAMABLE (PUT)

El Transistor Monounin Programable PUT (por las siglas en ingls de:Programmable Unijuntion Transistor) es un dispositivo semiconductor del tipo deruptura, debido a su modo de operacin o comportamiento en circuito.

Fig 1: PUT: formato fsico, smbolo elctrico ydistribucin de terminales

En l ocurre un cambio brusco del estadode bloqueo ( apagado) al estado de conduccin( encendido), cuando el nivel de tensin entrelos Terminales nodo-crtodo (VAK) se haceligeramente mayor que el nivel de tensin entre

los Terminales compuerta-ctodo (VGK). Mientras que la transicin de conduccin abloqueo se produce cuando el nivel de corriente que fluye a travs de nodo-ctodo (IA),se reduce hasta un valor ligeramente inferir al nivel de corriente que fluye a travs de

compuerta-ctodo (IG).Debido a que tanto el nivel de tensin de compuerta como el nivel de corriente

de compuerta dependen de un circuito externo, estos parmetros se pueden modificarcon facilidad y, de esta forma, modificar la respuesta obtenida con el PUT. Es decir, laforma de respuesta del PUT se puede modificar o programar desde un circuito simpleexterno, generalmente constituido por un divisor de tensin.

Fig-2: Circuito externo que permite programar las caractersticas del PUT.


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Fig-3: Smbolo elctrico, estructura de capas semiconductorasy equivalencia con un UJT.

Este dispositivo constituye el elemento base para la construccin de circuitososciladores de relajamiento, con pocos elementos adicionales y con posibilidad paramodificar los parmetros que definen las caractersticas de la forma de onda de latensin generada.

Un circuito oscilador de relajamiento produce un impulso de tensin derelativamente elevada amplitud y muy corta duracin. Una tensin con esta forma renelas caractersticas idneas para ser empleada como seal de control para elaccionamiento de elementos tiristores de control de potencia: SCR y TRIACS.

FIG-4: Accionamiento de un SCR, desde un oscilador con PUT.

Un circuito oscilador de relajamiento, con PUT, permite disponer de tres formasde ondas de tensin, diferentes, tomadas desde distintos puntos del circuito: Una tensinen forma de impulso, otra tensin con forma de rampa ascendente y otra tensin conforma de impulso descendente.

La onda de tensin con forma de impulso ascendente, desde cero voltios hastaun nivel predefinido, se produce en la resistencia de carga (RL), conectada entre elterminal de ctodo (K) y tierra (GND). En la figura precedente esta resistencia estrepresentada por la resistencia existente entre los terminales compuerta y ctodo deldispositivo tiristor de potencia.

Cuando se disea un oscilador de relajacin con PUT, se busca: determinar losvalores de las resistencias para la red de polarizacin de puerta (R1 y R2), los valores deresistencia y capacidad para la red de control de tiempo (RT y CC) y el nivel de tensinde alimentacin (VBB), que permitan obtener la amplitud, duracin y Frecuenciadeseada en la onda de voltaje que se va a utilizar (VA, VG VK).


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FASES DE DISEO DE UN OSCILADOR DE RELAJACIN CON PUT

A continuacin se propone el diseo de un oscilador de relajacin con PUT, paraobtener una seal en forma de impulsos (Vo = Vk), que sern aplicados a los terminalesde mando de un elemento de control de potencia (tiristor de control).

Los impulsos de disparo debern tener una amplitud mxima de seis voltios (Vomax = 6 V0lts) y una frecuencia de 60 Hz. La resistencia de carga (RL) representa elvalor de resistencia equivalente entre los terminales de mando del elemento de control,la cual tiene un valor tpico de, aproximadamente, 100. Se dispone de una fuente dealimentacin de12 Volts (VBB = 12 Volts) y un PUT tipo: 2N 6028. Se recomienda queel apagado del PUT ocurra para un nivel de voltaje de salida de 0,5 Volts (Vo min on =0,5 V0lts).

En la figura- se ilustra la representacin grfica de la forma de onda de tensinque deber haber a la salida del circuito, as como los datos y condiciones msrelevantes para el diseo:

La siguienete tabla (tab-1) muestra los datos y especificaciones tcnicassuministradas, por el fabricante, para el PUT del tipo 2N6028.

1.- CONSIDERACIONES Y CLCULOS PARA DEFINIR ELNIVEL DE VOLTAJE, PARA LA POLARIZACIN DEL TERMINAL DEPUERTA (VS).

En la fig-1.b se observa el circuito equivalente de la red de polarizacin depuerta, con el PUT en condicin de bloqueo. Vs es el valor de voltaje de polarizacin depuerta, cuando el PUT permanece en condicin de bloqueo (Vs = VGoff). En estacondicin el valor de Vs est determinado por el divisor de tensin formado lasresistencias RG1 RG2.

En el instante inicial de conmutacin al estado de conduccin, el voltaje desalida alcanza su mximo valor (VOmax) y la corriente de puerta hacia el ctodo (IGon)est en su valor mnimo, debido a la oposicin que sobre ella ejerce la tensin de salida(VO). Por tanto, en ese instante:

VGon = Vs IGon x RGeq Vs y,

VOmax = VGon VGKon Vs VGKonDonde: VGKon 0,5 Volts.


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Por tanto, puede determinarse el valor de Vs en funcin de VOmax (valor picodel impulso que se desea generar), mediante la siguiente expresin:

Vs = VOmax + VGKon Ec - 01

Para el diseo planteado:

Vs = 6volts + 0,5Volts = 6,5V0lts

2,- CONSIDERACIONES Y CLCULO PARA DETERMINARLOS VALORES DE RESISTENCIAS DEL CIRCUITO DE POLARIZACIN DECOMPUERTA (RG1-RG2).

Las resistencias RG1Y RG2, constituyen un divisor de tensin que determinan elvalor de Vs; pero adems determinan el valor de RGeq, quien influye directamente en elvalor de la corriente de nodo para el cual se produce la conmutacin a bloqueo apagado del PUT. (ver fig-1.a y 1.b). Para determinar los valores de RG1 y RG2 es

necesario considerar tanto el valor requerido para Vs, como el valor permitido de IGpara el momento de apagado del PUT, ya que esto ltimo determina el nivel mnimo deVO, para el momento justo antes del apagado.

2.1.- Consideraciones y Clculos para determinar el valor de RGeq:

La conmutacin del PUT al estado de apagado se produce cuando la corriente denodo (IA) se hace ligeramente inferior al valor de la corriente de puerta (IG). El valorde la corriente de nodo para esta condicin se conoce como corriente de valle (IV).

Esta condicin se presenta al final del impulso cuando la corriente de nodo (IA)se aproxima a cero, la tensin de salida (VO=VRL) se aproxima a cero y la corriente de

puerta (IG) aumenta de valor, aunque en menor proporcin.En el instante, justo antes, de la conmutacin al estado de bloqueo:

ILV = IK= IAV + IGon maxPero, en este instante: IAV IGon mx.

Por lo tanto: ILV = 2 x IGon mx. Ec-02

Segn las especificaciones dadas para este diseo, el apagado del PUT deberproducirse cuando el nivel de voltaje del impulso haya descendido hasta: VLmin =0,5Volts.

El valor de ILV, correspondiente a este valor de VL es:

L

onL

VLR

VI min= Ec-03

mAmpV

IVL

0,5100

5,0=

=

Por tanto, el nivel de corriente que fluye a travs de la unin compuerta-ctodo,en el instante justo antes del apagado, se puede determinar con la expresin:

2max

VL

Gon

II Ec-04

mAmpmAmp

IonG

5,22

5

==


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El nivel de tensin, en el Terminal de puerta, para el instante justo antes delapagado del PUT es:

ononV GKLGVVV +=

minEC-05

VoltsVVVVG

0,15,05,0 =+=Por tanto, el valor de RG necesario para que se cumpla con la condicin de

apagado a VLmin = 0,5Volts se determina mediante la siguiente expresin:

V

V

equ

G

G

GI

VVsR

= Ec-06

=

= KmAmp

VVR

eqG2,2

5,2

0,15,6

2.2.- Consideraciones y clculos para los valores de RG1 y RG2:

Los valores de las resistencias RG1

y RG2

, que aseguran el nivel de tensin,previamente establecido, para la polarizacin del Terminal de puerta (Vs) y el valornecesario de RGeq para la condicin de apagado, se pueden determinar mediante un

procedimiento puramente matemtico, desarrollando las expresiones correspondientespara Vs y RGeq, y sustituyendo trminos de una expresin a otra, como se realiza acontinuacin:

a) ( )212

21

2

21

2

GG

BB

G

GG

G

BBGG

GBBRR

V

VsR

RR

R

V

Vs

RR

RVVs +=

+

=

+

=

121221 G

BBBB

GG

BB

G

BB

G R

V

Vs

V

VsRR

V

VsR

V

VsR

=

=

=

BB

G

BB

G

V

Vs

RV

Vs

R

1

1

2Exp-a

b)21

21

GG

GG

G

RR

RRR

eq +

=

2

21

1

G

GG

GG

R

RRRR

eq

+

= Exp-b

Al sustituir, la solucin parcial para RG2, de la expresin a en su lugarcorrespondiente dentro de la expresin b, se puede el valor correspondiente para RG1.Segn el resultado obtenido, se asigna a RG1 el valor normalizado ( comercial) ms

prximo.El valor, normalizado, de RG1 se sustituye en la expresin a y se obtiene el

valor para RG2. De la misma forma, se selecciona para RG2, el valor de resistencianormalizado ms prximo al resultado obtenido.

3.- CONSIDERACIONES Y CLCULOS PARA DIMENSIONARLA RED DE CONTROL DE TIEMPO, DEL CIRCUITO NODO-CTODO.


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El circuito R-C (RA y CA), que se utiliza para polarizar la unin nodo-ctodo(A-K) del PUT, permite fijar el perodo de tiempo retardo que se produce entre dosimpulsos consecutivos. Este retardo determina el perodo (T) y por tanto la frecuencia(F) de la seal de impulsos generada por el circuito. Adems se aprovecha la descarga

rpida, del condensador, a travs del PUT y la carga (RL), para generar el impulso decorta duracin.El valor de cada uno de estos elementos debe escogerse adecuadamente, ya que

de ellos depende que el circuito funcione como oscilador que permanezca esttico enuno de los dos estados de funcionamiento: conduccin bloqueo del PUT.

3.1.- Consideraciones y Clculos para determinar el valor de RA:

Existe un rango de valores de RA, para los cuales el circuito funciona como unoscilador. Los valores extremos de este rango de variacin de RA dependen de losniveles de corriente de nodo (IA) necesarios para que se produzca la conmutacin de

bloqueo a conduccin y de conduccin a bloqueo, conocidos como corriente de pico(IAp) y corriente de valle (IAV) respectivamente.

Para seleccionar el valor el valor de RA adecuado al diseo que se realiza, sedeben conocer los valores de IP e IV, para determinar en primera instancia el rango de

posibles valores de RA.

3.1.1.- El valor pico de corriente de nodo (IAp): depende de las caractersticasintrnsecas del dispositivo y (en menor grado) del valor de RGeq, en el circuito decontrol de puerta. A mayor valor de RGeq se necesita menor valor de corriente pico parala conmutacin al estado de conduccin.

En la condicin de bloqueo (no conduccin), del PUT, la unin nodo-compuerta permanece polarizada inversamente (VA < VG). En esta condicin fluye unacorriente muy pequea desde la puerta hacia el nodo, dependiente, en proporcininversa, del valor de RGeq.

Esta corriente, conocida como IGoff, constituye una corriente de fuga a travs dela unin semiconductora, polarizada inversamente. Su magnitud est en el orden de lasdecenas de nanoAmperios, para valores de RGeq superiores a 4K (un valor tpico es:IGoff20nAmp, con RGeq150K). que puede ser despreciada, para efectos prcticos.

La conmutacin al estado de conduccin ocurre cuando la unin nodo-compuerta se polariza directamente (VA > VG) y la corriente de nodo alcanza un valormayor a IGoff.

El nivel de voltaje de nodo necesario para la polarizacin directa de la uninnodo-puerta se conoce como voltaje pico (VAp):VoltsVsV

pA7,0+ Ec-07

Un valor aproximado del nivel pico de la corriente de nodo, necesaria para elencendido del PUT, esta dada por:

offp GAII 3 Ec-08

nAmpnAmpIpA

60203 =

Por tanto, para que se produzca la conmutacin al estado de conduccin del PUTes necesario que el valor de RA no sea mayor a:


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p

p

A

ABB

AI

VVR

maxEc-09

3.1.2.- El valor valle de la corriente de nodo (IAV): depende de lascaractersticas del circuito de polarizacin de puerta (RGeq). A mayor valor de RGeq senecesita menor valor de corriente valle para la conmutacin al estado de bloqueo.

La conmutacin al estado de bloqueo ocurre cuando el nivel de voltaje en elnodo (VA) es insuficiente para mantener la polarizacin directa de la unin nodo-

puerta. En el instante justo antes de la conmutacin, el descenso de la carga delcondensador (CA) ocasiona que la corriente de nodo (IA) se haga ligeramente inferioral valor de la corriente de puerta del PUT en conduccin (IGon), y se produce laconmutacin al estado de bloqueo.

El valor de voltaje de nodo, al cual se produce la conmutacin al estado debloqueo se conoce como voltaje de valle (VAv) y esta dado por:

minVoVV onV AKA += Ec-10

VoltsVonAK

0,1 y, segn las consideraciones de

diseo planteadas, VoltsVO 5,0min =

Por lo que resulta: VoltsVVVVA

5,15,00,1 =+ El valor de corriente de nodo al cual se produce la conmutacin al estado de

bloqueo del PUT se conoce como corriente de valle (IAV) y esta dado por:

maxonV GAII Ec-11

Segn las consideraciones y clculos realizados en la seccin 2.1, se pudo

determinar que, para este diseo, el valor de corriente de puerta justo antes de laconmutacin al estado de bloqueo es:mAmpImAmpI

Von AG5,25,2

max=

Por tanto, para que se produzca la conmutacin al estado de bloqueo, esnecesario que el valor de RA no sea menor que:

V

VBBA

I

VVR

MIN

Ec-12

3.1.3.- Se selecciona, para RA, un valor normalizado: que se encuentre dentro

de los valores lmites indicados por las expresiones: Ec-09 y Ec-12. De esta forma segarantiza que el PUT oscilar libremente entre los dos estados operativos: bloqueo yconduccin.

3.2.- Consideraciones y Clculos para determinar el valor de CA:

Despus de haberse definido el valor para la resistencia RA, queda pendienteelegir el valor capacitivo del condensador que conjuntamente con RA, provea el tiempode retardo entre los impulsos, correspondiente a la frecuencia requerida para el tren deimpulsos.

La frecuencia de los impulsos est directamente relacionada con el tiempo quetarda el condensador en cargarse desde el nivel de voltaje de nodo de conmutacin a


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bloqueo hasta el nivel de voltaje de nodo de conmutacin a conduccin. Estos nivelesde voltaje de nodo corresponden al valor de voltaje valle (VAv) y al valor de voltaje

pico (VAp), respectivamente.La carga del condensador se realiza a travs de RA. El tiempo requerido para que

se produzca la carga del condensador, desde el nivel de voltaje valle (VAv) hasta el

nivel de voltaje pico (VAp), est dado por:pcgaret tTtt ==

Donde:tret: es el perodo de tiempo retardo entre impulsos consecutivos.T: es el perodo de la seal duracin de un ciclo completo.tp: es el tiempode duracin de un impulso.

Para bajas y medias frecuencias el tiempo de duracin de un impulso (tp) es muypequeo, en comparacin con el tiempo entre dos impulsos (tret), debido a que ladescarga del condensador, a travs del PUT (en conduccin) y la resistencia RL, es muy

rpida. En estos casos, para efecto de clculos, se puede despreciar el valor de tp yconsiderar el valor de tret muy prximo al valor de T.

Tttt retpret

FT

1=

Ftret

1 Ec 13

De esta forma, y en funcin de la frecuencia deseada, puede determinarse eltiempo de retardo entre dos impulsos consecutivos (tret).

Una vez definido el tiempo de retardo entre impulsos, se puede emplear laexpresin general de tiempo de carga de un condensador:

=final

inic

ccc

ccc

nxcgacgaVVVVlCRt

Esta misma expresin queda representada a continuacin, con las designacionesdadas a los elementos del circuito analizado:

=p

V

ABB

ABB

nAAretVV

VVlCRt Ec -14

A partir de la expresin anterior, y realizando los despejes correspondientes, seobtiene una expresin que permite determinar el valor de CA necesario para que la redde retardo (RA-CA) cumpla con las condiciones planteadas:

=

p

v

ABB

ABB

nA

retA

VV

VVlR

tC

Ec 15

Se selecciona para CA el valor normalizado ms prximo al resultadoobtenido mediante la expresin anterior.

3.2.1.-

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