Electrónica industrial, uso del dispositivo de potencia

OBJETIVO

Comprobar la diferencia entre el control resistivo, y el control capacitivo. Tal diferencia es que en el control capacitivo tenemos un Angulo de disparo hasta noventa y con el capacitivo hasta de 180 es to con un arreglo pasivo RC.

INTRODUCCION

Control resistivo

El tipo de control de puerta más sencillo, también llamado circuito de disparo, se logra con un potenciómetro y una resistencia fija.

El ángulo de disparo está determinado por la resistencia R2 (potenciómetro), si la resistencia variable es baja, la corriente de puerta será suficiente para disparar el SCR cuando el voltaje de la fuente es bajo. Por lo que el ángulo de disparo será pequeño y la corriente de la carga grande.

Si la R2 es alta, el voltaje de la fuente debe ser alto para poder entregar suficiente corriente de puerta para disparar el SCR, esto aumenta el ángulo de disparo y reduce la magnitud de la corriente de carga.

El propósito de la R1 es mantener algún valor fijo de resistencia en caso de que R2 sea puesta en cero, para proteger a la compuerta. La resistencia R1, también determina el ángulo mínimo de disparo. En un circuito de disparo puramente resistivo, para un SCR, el ángulo máximo de disparo que se puede alcanzar es de 90 .

Control resistivo - capacitivo del SCR

Con un circuito de disparo que incluye solamente resistencias, se puede lograr un ángulo de disparo máximo de 90º. Para ajustar el ángulo de disparo a más de 90 ° se emplea un condensador, con esto se puede alcanzar un ángulo de disparo de hasta 180.

Cuando la fuente de CA es negativa el voltaje inverso a través del SCR es aplicado al circuito de disparo RC, cargando al condensador con su placa superior negativa y su placa inferior positiva.

Cuando la fuente entra en su semiciclo positivo el voltaje directo a través del SCR tiende a cargar al condensador en la polaridad opuesta. Sin embargo, la formación de voltaje en la dirección opuesta es retardada hasta cuando la carga negativa sea removida de las placas del condensador, este retardo puede extenderse más allá de 90 °.

MARCO TEÓRICO

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de 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 conducción a un estado conducción. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Un tiristor SCR (Silicon Controller Silicium) es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn. Tiene tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y compuerta (G). La figura 2.1.1. muestra el símbolo del tiristor y un Esquema de las uniones pn que lo constituye.

Figura 2.1.1. Símbolo del SCR y esquema de su constitución física.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo respecto al cátodo las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene una polarización inversa y sólo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado de desactivado llamándose corriente de fuga a la corriente de estado inactivo I_D; si el voltaje ánodo a cátodo V_AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada en inversa entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa V_BO.

Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. La caída de voltaje se deberá a la unión de las cuatro capas pn y será pequeña, por lo común 1 V.

La corriente del ánodo deberá ser más grande que un valor conocido como corriente de mantenimiento I_L, a fin de mantener la cantidad requerida se flujo de portadores de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo a cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo.

Un tiristor se pude activar aumentando el voltaje directo de V_AK más allá de V_BO, pero esta forma de activarlo puede ser destructiva. En la práctica, el voltaje directo se mantiene por debajo de V_BO y el tiristor se activa mediante la aplicación de un voltaje positivo entre la compuerta y el ánodo.

Al aplicársele una señal senoidal de corriente alterna a las terminales del tiristor SCR como la que se muestra en la figura 2.1.2; durante el semiciclo positivo el tiristor tendrá polarización directa y durante el semiciclo negativo se presentará una condición de polarización inversa.

Figura 2.1.2. Señal de voltaje ánodo a cátodo presente en las terminales del SCR.

Ahora, analizando el comportamiento del SCR se nota que durante el semiciclo positivo el SCR está en condición de polarización directa, es decir, se cumple una de las dos condiciones necesarias para la activación del tiristor, por lo tanto, solo se requiere una señal de disparo en la compuerta del SCR para el inicio de la conducción; al tiempo de retardo desde el inicio del ciclo hasta el disparo del tiristor se conoce como ángulo de disparo alpha (α). El estado de activación quedará presente hasta que la corriente de conducción sea menor que la corriente de mantenimiento, debido a que esta corriente es muy pequeña en comparación con la corriente de conducción se desprecia este parámetro y se dice que el tiristor se desactivará en el cruce por cero.

Ahora, durante el semiciclo negativo el SCR se encontrará siempre en condición de polarización inversa, haciendo imposible el estado de conducción durante este periodo. Para graficar esta señal se realiza el análisis de Fourier para aproximar dicha señal a una sumatoria infinita de senos y cosenos con frecuencias armónicas; la serie de Fourier establece que:

v_0 (ωt)=a_0+∑_(n=1)^∞▒〖[a_n cos⁡(nωt)+ b_n sin⁡(nωt)]〗

Donde:

a_0=1/T ∫_α^π▒〖V_m sin⁡(ωt)dωt〗 a_n=2/T ∫_α^π▒〖V_m sin⁡(ωt) cos⁡(nωt)dωt〗

b_n=2/T ∫_α^π▒〖V_m sin(ωt)sin(nωt)dωt〗

Resolviendo estas ecuaciones se obtiene que:

a_0= V_m/2π(cosα+1)

a_1=-V_m/2π [〖(sin⁡α)〗^2

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