UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD CA TOLICA DE SANTA MA RIA RIA FACUL TAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS INGENIERIAS FISICAS FISICAS Y FORMAL ES PROGRAMA PROFESIONAL PROFESIONAL DE INGENIE INGENIERI RIA A ELECTRONICA ELECTRONICA
PRACTICA DE LABORATORIO N° 4 TEMA:
CONMUTACION COMPLEMENTARIA CURSO: ACTUADORES ACTUADORES Y ACCIONAMIEN ACCIONAMIENTOS TOS DOCENTE: ING. JUAN CARLOS COPA PINEDA ALUMNO:
PEÑALOZA CACERES, SERGIO GRUPO: MARTES 11:00 A.M. – 13:00 P.M. SEMESTRE: VIII FECHA DE ENTREGA: 14-10-08
INTRODUCCION
La presente práctica de laboratorio nos enseñara a utilizar un tiristor en un circuito muy utilizado el cual es de conmutación complementaria. Además comprenderemos como podemos detener el disparo de un tiristor usando otro. Asimismo veremos cuan importante es la corriente de mantenimiento de un tiristor en el circuito. También obtendremos mediante cálculos los valores correctos del circuito asi como veremos la importancia del capacitor en el tiempo de disparo.
CONMUTACION COMPLEMENTARIA
OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de un tiristor. Comprender e interpretar la hoja de datos de un tiristor. Desarrollar y entender la conmutación complementaria del circuito. Desarrollar los cálculos necesarios para obtener los valores correctos.
MARCO TEORICO TIRISTORES
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. CAR ACTERISTICAS DE LOS TIRISTORES
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.
Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn. ACTICA CION DEL TIRISTOR
Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas: Té r m ic a . Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número
de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará que a1 y a 2 aumenten. Debido a la acción regenerativa (a1 +
a2 ) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita. Luz. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los
pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio. Alto Voltaje. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de
ruptura directo V BO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar. dv/dt . Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de
carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores. Corriente de Comp uerta . Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de
una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, podiendo llegar a activarse. TIPOS DE TIRISTORES
Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta. Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías: 1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). 2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 3. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 4. Tiristores de conducción inversa (RTC). 5. Tiristores de inducción estática (SITH). 6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 8. Tiristores controlados por MOS (MCT).
Tiristores de co ntro l de fase o de co nm utación rápida (SCR).
Figura 3. Símbolo del SCR.
Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A. Un SCR.
Se activa cuando el voltaje V D que lo alimenta excede V BO Tiene un voltaje de ruptura V BO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente i G, presente en el SCR Se desactiva cuando la corriente i D que fluye por él cae por debajo de I H Detiene todo flujo de c orriente en dirección inversa, hasta que se sup ere el v oltaje m áxim o invers o.
Tiristores de desactiv ación por com pu erta (GTO).
Figura 4. Símbolo del GTO.
Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato. Tiristores de triod o bidirecc ion al (TRIAC).
Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se
ilustra en la figura siguiente. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de I H .
Figura 5. Símbolo del TRIAC. Tiristores de co nd ucc ión inversa (RTC).
En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo. Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura siguiente. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v y la especificación de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a 40v. Dado que para un dispositivo determinado está preestablecida la relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños de circuitos específicos.
Figura 6. Tiristor de conducción inversa. CONMUTACION COMPLEMENTARIA
En algunos circuitos de tiristor, el voltaje de entrada es de cd, para desactivar al tiristor, la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito adicional conocido como circuito de conmutación. Esta técnica se conoce como conmutación forzada y por le común se aplica en los
convertidores de cd a cd (pulsadores) y en convertidores de cd a ca (inversores). La conmutación forzada de un tiristor se puede lograr de siete maneras diferentes, que pueden clasificarse como:
Autoconmutación Conmutación por impulso Conmutación por pulso resonante Conmutación complementaria Conmutación por pulso externo Conmutación del lado de la carga Conmutación del lado de la línea
Esta clasificación de las conmutaciones forzadas se basa en la disposición de los componentes del circuito de conmutación y en la forma en que la corriente de un tiristor se fuerza a cero. El circuito de conmutación está formado por lo general de un capacitar, un inductor y uno o más tiristores y/o diodos. Como nuestro laboratorio trata de una conmutación complementaria, solo mencionaremos ese ítem. Conm utación com plementaria La conmutación complementaria se utiliza para transferir corriente entre dos cargas; una disposición como ésta aparece en la figura 1. El disparo de un tiristor conmuta a otro. Cuando se dispara el tiristor T 1, la carga con R 1 se conecta al voltaje de alimentación, Vs, y al mismo tiempo se carga el capacitor C hasta V s, a través de la otra carga con R 2. La polaridad del capacitor C es como la que aparece en la figura 1. Cuando se conecta el tiristor T 2, el capacitor queda colocado a través del tiristor T 1 y la carga con R 2 se conecta al voltaje de alimentación, V s. T1 adquiere polarización inversa y se desactiva mediante la conmutación por impulso. Una vez desactivado el tiristor T 1, el voltaje del capacitar se invierte a -V s a través de R 1, T2 y la alimentación. Si el tiristor T 1 se vuelve a disparar, el tiristor T 2 se desactiva y el ciclo se repite. Por lo general, los dos tiristores conducen con iguales intervalos de tiempo. Las formas de onda de los voltajes y las corrientes aparecen en la figura 2 para R1=R2=R. Dado que cada tiristor se desconecta debido a la conmutación por impulso, este tipo de conmutación a veces se conoce como conmutación complementaria por impulso.
Figura 1
Figura 2
MATERIALES
1 motor 2 Tiristores BT151 Resistencias Capacitor Pulsadores Multimetro Cables
DESARROLLO DEL LABORATORIO Comenzamos primero con armar el siguiente circuito. Para el cual comenzaremos primero haciendo los cálculos correspondientes para hallar todos los valores correctos del circuito.
t = RC 5t < 0.5 seg. 5t = 0.5 seg.
t = 0.1 seg. Dándonos el valor del condensador C = 100 uF R = 0.1 / 100 uF R = 1KΩ.
Se utiliza el tiristor BT151 el cual tiene I GTmax = 15 mA. Por lo que se tomo el valor de 12 mA. Calculando asi R G = 1KΩ. Cuando se abre el T1 la tensión no dispara a dicho tiristor, sin embargo la carga RL (motor) funciona debido a que el T2 aun sigue alimentado, pero al momento de abrir T2 el circuito se apaga y viceversa. Cambiando el capacitor a 33 nF, el disparo de tiristores demora debido a que el t no es el mismo para este capacitor, por lo tanto se reduce el tiempo de disparo.
Pero en nuestro caso, la corriente de mantenimiento del tiristor no es suficiente para poder arrancar el motor, la corriente de mantenimiento es un valor que hay que tener en cuenta antes de armar los demás circuitos ya que no siempre arrancara el motor.
Como podemos ver en el datasheet, la corriente de mantenimiento del tiristor es de 100mA, por eso que el circuito no funcionaba de manera correcta ya que nuestro motor consume 500mA.
CONCLUSIONES
Es importante saber que hay otras técnicas de conmutación forzada, con las cuales se puede detener el disparo de un tiristor. El valor del capacitor es importante ya que depende de ese valor para que el tiempo de disparo cambie. La corriente de mantenimiento es sumamente importante ya que cuando el consumo de la carga conectada al tiristor es menor a la corriente de mantenimiento del dispositivo, el dispositivo no podrá seguir funcionando. Los dispositivos de estado sólido son muy útiles en estos tipos de circuitos, en los cuales nos sirve de apertura y cierre.
REFERENCIAS
http://es.wikipedia.org/wiki/conmutacion complementaria Datasheet BT151 http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm