UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ SEDE CAMPUS DR. VÍCTOR LEVI SASSO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ELECTRÓNICA DE POTENCIA LABORATORIO #3
“CIRCUITO DE CONTROL DE POTENCIA CON UN SCR” FACILITADOR: Ing. Raúl Palacios
ESTUDIANTES Espinosa, Ei!a
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SEUNDO SE;ESTRE
INTRODUCCIÓN
En electrónica de potencia los rectificadores controlados de silicio SCR son empleados como dispositivo de control, debido a que el rectificador controlado de silicio SCR, es un semiconductor que presenta dos estados estables: en uno conduce, y en otro está en corte, llamados de otra forma el dispositivo esta en bloqueo directo, bloqueo inverso y conducción directa, en pocas palabras este dispositivo puede ser usado como interruptor e incluso como variador de intensidad como lo veremos en este laboratorio. El objetivo del rectificador controlado de silicio SCR es retardar la entrada en conducción del mismo, ya que como se sabe, un rectificador controlado de silicio SCR se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus bornes se hace positiva o más bien dicho cuando la tensión de ánodo es mayor que la tensión de cátodo, sino cuando siendo esta tensión positiva, se enva un impulso de cebado a su puerta. El parámetro principal de los rectificadores controlados es el án!ulo de retardo, " el cual podremos variar en esta e#periencia de laboratorio. Como lo su!iere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente sólo durante los semiciclos positivos de la fuente de C.$. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto si!nifica que el SCR no puede estar encendido más de la mitad del tiempo. %urante la otra mitad del ciclo cuando el sistema está en el semiciclo ne!ativo, la polaridad de la fuente es ne!ativa, y esta polaridad ne!ativa hace que el SCR ten!a polari&ación inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la car!a, de manera que en esta confi!uración de SCR la mitad de la potencia se desperdicia por lo que la manera de aprovechar toda la potencia entre!ada por la fuente lo veremos en el pró#imo laboratorio ya que el objetivo principal de este laboratorio solo será re!ular la intensidad de una car!a puramente resistiva 'un foco(, mientras observamos cómo cambian las se)ales en el SCR y en la Car!a con ayuda del osciloscopio.
*+E-/*S •
• •
*bservar la operación y las formas de onda de un SCR que activa una car!a resistiva %eterminar las caractersticas el0ctricas de un SCR particular *bservar la estabili&ación de temperatura usando un dispositivo de transición conductiva '%$C(
1$-ER$2ES 3 E456*S • • • • • • • • • • • •
1ultmetro %i!ital 1ultmetro $nálo!o *sciloscopio di!ital 7uente de voltaje variable de $C SCR S89% o equivalente R;< 8.8= > R8< potenciómetro de 8?@ > RA< ;= > C<.B97 %;< 8/ o más $lto %$C de A?/ apro#imadamente R car!a< 2ámpara de D a B
MARCO TEÓRICO Rectificador controlado de silicio SCR (silicon controlled rectifier): Es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. Está formado por tres terminales, llamados Fnodo, Cátodo y 6uerta. 2a conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional 'sentido de la corriente es Gnico(, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la ve&. El SCR se asemeja a un diodo rectificador pero si el ánodo es positivo en relación al cátodo no circulará la corriente hasta que una corriente positiva se inyecte en la puerta. 2ue!o el diodo se enciende y no se apa!ará hasta que no se remueva la tensión en el ánodoH cátodo, de all el nombre rectificador controlado. El SCR es un rectificador construido con material de silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se esco!ió el silicio debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia.2a operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. Io es suficiente sólo la polari&ación directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la re!ión de conducción la resistencia dinámica el SCR es tpicamente de .; a .;> 2a resistencia inversa es tpicamente de ; => o más. 5n SCR actGa a semejan&a de un interruptor. Cuando esta encendido '*I(, hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del ánodo al cátodo. $ctGa entonces como un interruptor cerrado. Cuando está apa!ado '*77(, no puede haber flujo de corriente del ánodo al cátodo. 6or tanto, actGa como un interruptor abierto. %ado que es un dispositivo de estado sólido, la acción de
conmutación
de
un
SCR
es
muy
rápida.
PROCEDIMIENTO Conecte el circuito mostrado en la fi!ura ;, con R;, R8, RA, C. Coloque un diodo, de voltaje nominal 8 / o más alto en serie con la terminal de compuerta y apuntando hacia esta. 2a alimentación $C debe ser ;;? /$C, aislada de tierra fsica. %espu0s mediante un osciloscopio, conecte la tierra del osciloscopio permanentemente al cátodo del SCR y utilice la entrada diferencial para medir el voltaje de car!a y el voltaje al resistor de compuerta.
nota: Asegrese de !"e el ca#le de ali$entaci%n del oscilosco&io no tenga ter$inal de tierra' as se eitar* "n cortocirc"ito+ 5tilice un SCR, RC$ tipo S89% o similar. 2a car!a debe ser una lámpara de D a B o una resistencia de ;> ;. nserte un ampermetro análo!o de a ; $ o de a ? m$ en serie con la car!a.
;( Coloque el osciloscopio a trav0s de las terminales de ánodo y cátodo SCR. $. Re!istre apro#imadamente cuanto es el án!ulo de retardo de disparo mnimo y má#imo.
Resp. El án!ulo de disparo má#imo apro#imadamente calculado es de ;8J y el mnimo de apro#imadamente es de BJ.
+. Re!istre la corriente de car!a promedio bajo las dos condiciones. K4u0 relación e#iste entre el án!ulo de retardo de disparo y la corriente de car!aL Resp. 6ara el án!ulo de retardo menor la corriente es de apro#imadamente D m$ y para el án!ulo de retardo mayor la corriente es de apro#imadamente BM m$N la relación entre la corriente de la car!a y el án!ulo de retardo es que para un án!ulo de retardo menor, la corriente de la car!a es menor. C. KEn qu0 dirección debe !irar el potenciómetro de 8?@ para incrementar el án!ulo de retardo de disparoL E#plique por que Resp. %ebe !irar en la dirección en que el valor de resistencia entre las terminales que están conectadas al circuito aumente, en nuestro laboratorio es en la dirección de las manecillas del reloj.
%. %ibuje la forma de onda /$@ para cierto án!ulo de retardo de disparo intermedio
E. 1ida el voltaje que e#iste a trav0s del SCR despu0s del disparo '/-(. KEs suficientemente constanteL K4u0 valor re!istraL Resp. Es suficientemente contante, re!istra apro#imadamente ;;v 8( Sin alterar la confi!uración del potenciómetro de la parte O%P conecte el osciloscopio a trav0s de la resistencia $. %ibuje la forma de onda del voltaje de car!a para el mismo án!ulo de retardo de disparo anterior.
+. Compare la forma de onda del voltaje de car!a con la forma de onda del voltaje en el SCR. KEsta comparación parece ló!icaL Resp. Si lo parece. 2a forma de onda que pasa a trav0s del SCR es la que contiene la mayor parte de la ener!a mientras que la que pasa a trav0s de la car!a es lo que se recortó, además al comparar las ondas se observa que en la car!a la se)al de la onda esta rectificada debido que solo aparece la parte positiva de la se)al, y se observa el án!ulo de retardo. A( Coloque el *sciloscopio a trav0s del resistor de compuerta de ;@. el flujo de corriente a la compuerta se puede calcular utili&ando la 2ey de ohm para el resistor de ;@. 1ida la corriente de compuerta necesaria para disipar el SCR 'Q-(. KCuánto cambia esta al cambiar el án!ulo de retardo de disparoL Kes lo que usted esperabaL Resp. Esta corriente es de 9.9;? m$. $l aumentar el tiempo muerto del SCR disminuye la intensidad de esta corriente, y en caso contrario su valor aumenta. Esperabamos esto ya que al aumentar el tiempo muerto el SCR debe estar apa!ado más tiempo. D( Coloque el osciloscopio a trav0s de las terminales principales del SCR y ajuste a cierto án!ulo de retardo de disparo intermedio. Enfri0 el SCR con aire helado y observe la reacción del án!ulo de retardo de disparo. K4u0 efecto tiene disminuir la temperatura en un SCRL Resp. %ependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, este disipa una cantidad de ener!a que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura produce un aumento de la corriente de fu!a, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. $l disminuir la temperatura del SCR se disminuye este efecto. ?( nstale un %$C de A?/ en serie con el resistor de compuerta de ;=. Repita los pasos ; y D. K4u0 diferencia importante observaL Resp. El %$C nos permite controlar el án!ulo de disparo en ambas direcciones de la onda $C. Con esto se obtiene un mayor control y aprovechamiento de la ener!a obtenida, cosa que no se poda hacer con un diodo.
RESU,TADOS
A+ CIRCUITO ARMADO EN MU,TISIN
-+ CIRCUITO ARMADO ./SICAMENTE
C+ SIMU,ACIÓN A ,A M0S -A1A INTENSIDAD
C.;. *sciloscopio visto desde la car!a
C.8. *sciloscopio visto desde el SCR
C.A. 7oco
D+ SIMU,ACIÓN A ,A M02IMA INTENSIDAD
%.;. *sciloscopio visto desde la car!a
%.8. *sciloscopio visto desde el SCR
%.A. 7oco
CONC,USIONES
%espu0s de haber reali&ado este laboratorio hemos lle!ado a las si!uientes conclusiones: $prendimos que los SCR no solo nos permite utili&arlos como un interruptor sino que además, !racias a que podemos variar su án!ulo de disparo tambi0n podemos utili&arlos como variador de intensidad como lo observamos en este laboratorio.
%escubrimos que con la confi!uración del circuito que usamos en este laboratorio, este solo nos permite utili&ar S*2* la mitad de la potencia que nos brinda la fuente y que el resto se desperdicia debido a que el SCR no deja de comportarse como un diodo y este comportamiento bloque uno de los semiciclos de la onda haciendo que con ese semiciclo bloqueado, se pierda potencia en el sistema. %e las simulaciones pudimos obeservar que las se)ales vistas en el osciloscopio, al comparar la se)al del SCR con la se)al de la car!a eran totalmente diferentes debido a que la parte de la se)al que faltaba en el SCR era precisamente la se)al que se estaba utili&ando para alimentar la car!a, y que la Gnica forma de observar una completa onda senoidal en el SCR era cuando este estaba en circuito abierto y por ende la car!a estaba apa!ada.
-I-,IO3RA./A
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ANE2OS
SCR:
DIAC:
POTENCIOMETRO