Electronica de Potencia

Objetivo General. 

Familiarizarse con el rectificador controlado de silicio, SCR, así como de estudiar las características de control por C.C.

Objetivos Específicos.  

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Probar un rectificador controlado de silicio utilizando un óhmetro. Mostrar la operación de un SCR midiendo su corriente de compuerta y la de mantenimiento. Realizar una prueba operacional con c.c. teniendo como carga una lámpara incandescente y un relé.

Marco Teórico. eóric o. SCR - Símbolo, estructura y funcionamiento básico. El SCR (Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador casi ideal. El símbolo y estructura del SCR se muestran en la siguiente figura.

Analizando los diagramas: A = ánodo, G = compuerta o Gate y C = K = cátodo Funcionamiento básico del SCR El gráfico anterior, muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su funcionamiento. Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1. IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

El SCR en corriente continúa. El funcionamiento de un tiristor en corriente continua es fácil de entender. Normalmente el tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K) (la corriente circula en el sentido de la flecha del tiristor).

Con esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para activarlo. Este pulso debe de tener una amplitud mínima, para que la corriente de compuerta (IG) provoque la conducción. Desactivación de un tiristor El tiristor una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (IA) sea mayor que la corriente de mantenimiento (IH). Normalmente la compuerta (G) no tiene control sobre el tiristor una vez que este está conduciendo. Opciones para desactivar un tiristor: 1. Se abre el circuitos del ánodo (corriente I A = 0) 2. Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de tensión mayor que el del ánodo). 3. Se deriva la corriente del ánodo I A, de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento IH. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por él pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención (IH)", lo que causará que el tiristor deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero. Como se puede ver el SCR, tiene dos estados: 1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja. 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada.

Descripción de la práctica. El desarrollo de esta práctica está compuesto por 3 partes: 

Parte I: prueba de SCR con un óhmetro analógico. Se le proporcionan dos tipos de SCR, uno de baja potencia y otro de mediana potencia, similares a los descritos en la teoría básica; En esta parte, se trata de probar el buen estado o mal estado de un rectificador controlado de silicio, para lo cual esta vez nos auxiliaremos de un téster analógico para su prueba, todo lo que tenemos que hacer es seguir los pasos descritos en la parte I e ir anotando los valores pedidos.

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Parte II: Operación de un SCR y corriente de retención. Se nos proporciona un circuito a armar, el cual tiene una parte de disparo y una potencia, esta parte se trata de que, verifiquemos como son los voltajes en el SCR cuando éste está apagado y encendido; se aprovecha que, mediante con un potenciómetro R3 podamos comprobar y a la vez medir una de las características más importantes del SCR el cual es la corriente de mantenimiento o de retención.

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Parte III: el SCR utilizado como interruptor de dc. Aprenderemos a utilizar y comprobar que el SCR puede ser utilizado como interruptor electrónico para corriente continua, en un inicio, se utiliza una lámpara para comprobar el efecto interruptor.

Materiales y equipos. - 1 téster analógico.

-

1 R4=47 Ω

- 1 téster digital.

-

1 Minipulsador normalmente abierto, S2.

- 1 SCR NTE 5416.

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1 Interruptor, S1.

- 1 SCR SKT 10.

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1 Lámpara incandescente de 6 voltios.

- 1 R1 = 4.7 KΩ

-

1 Breadbord.

- 1 R2 = 1 KΩ

-

Cables de conexión.

-

-

Fuente de C.C. variable de 0-50 voltios.

1 R3 = 10 K Ω potenci ometro.

Desarrollo de la práctica. Parte 1: Prueba de un SCR con un óhmetro analógico. 1) Identifique al SCR NTE 5416, su ánodo, su cátodo y su compuerta, sujételo en la breadbord. Dibuje la configuración de sus pines visto de frente.

K = Cátodo; A = Ánodo; G = Gate o Compuerta

2) Ajuste el téster analógico en la función óhmetro en el rango de x10. El téster que ud. está utilizando tiene el potencial (+) en la punta negra y el potencial (-) en la punta roja (Lo puede comprobar con el téster digital). 3) Conecte la punta negativa al cátodo y la punta positiva a la compuerta; con esta conexión la unión PN de compuerta a cátodo del SCR esta polarizada en directa, anote la resistencia. RGK = 30 Ω 4) Invierta las puntas del óhmetro respecto al paso anterior. Anote la resistencia en inversa. (Puede cambiar de escala al óhmetro). RKG = 100 KΩ

5) Conecte la punta negativa en la compuerta y la positiva en el ánodo, registre la resistencia. RAG = ∞ (Circuito abierto) 6) Invierta las puntas del téster respecto al paso anterior y mida la resistencia inversa de ánodo a compuerta. RGA = ∞ (Circuito abierto)

7) Conecte la punta negativa al ánodo y la punta positiva al cátodo, registre la lectura o el comportamiento. RKA = ∞ (Circuito abierto) 8) Invierta las puntas del téster respecto al paso anterior, registre la lectura o el comportamiento RKA = ∞ (Circuito abierto) 9) Con las puntas del téster conectadas como en el paso 8 y en la escala de X1, con un alambre haga un puente momentáneo (solo un pulso) de ánodo a compuerta. 10) ¿Qué observa en el óhmetro? R// La punta análoga se mueve, midiendo una baja resistencia, pero esto ocurre momentáneamente. Explique lo sucedido al SCR. R// El SCR pasó a estado de conducción, ya que para que esto ocurra, solo se necesita tener una polarización directa entre ánodo  – cátodo y tener un pulso en la compuerta. ¿Diría ud. que el SCR ha pasado de un estado de apagado a encendido? Explique. R// Si, porque antes de cortocircuitar A-G, se tenía una resistencia infinita, es decir, que no había conexión, ahora el tester mide una baja resistencia, es decir que existe una conexión. 11) En el paso anterior el téster debió haber pasado de alta impedancia a baja impedancia, si un SCR responde a todas las lecturas hechas anteriormente diríamos que está en buen estado. Intente disparar como en el paso 9 al SCR SKT. ¿Qué sucede? Explique. R// Se espera que ocurra lo mismo, ya que el SKT 10 es un SCR de potencia, pero para sus parámetros de funcionamiento, son más elevados que el SCR NTE 5416, por lo tanto no se logró observar debido a la salida potencia de los testers analógicos.

Parte 2: Mostrar la operación de un SCR y medir la corriente de retención. 1) Conecte el circuito de la figura.

SW-SPST1 P110k  AM1

V16    7    4    3    R

PB-SPSTO1

   5    9    5    1    N    2    1    U

R11k

+

V

VM1

   k    1    2    R

Nota: R1 en la lista de materiales, aparece de 4.7KΩ, ocurriendo que la corriente de compuerta no fuera la necesaria para activar el SCR, por lo tanto se sustituyó por una de 1KΩ, para obtener

mejores resultados. 2) Abra S1 y ajuste R3 para resistencia mínima (casi cero, identifique los terminales que utilizará en esta medición) del circuito de ánodo. 3) Ajuste la fuente de voltaje de D.C. Para 6 voltios. 4) Cierre S1 y mida el voltaje del SCR entre ánodo y cátodo. VAK = 5.94 VDC VR3 = 0 VDC IA = 0 mA De la medición realizada, que puede concluir de la región de operación del SCR R// El SCR se encuentra apagado, ya que la corriente de ánodo es cero, por lo tanto no hay voltaje en las resistencias y se mide el voltaje de entrada directamente en el ánodo. 5) Oprima momentáneamente S2 y libérelo, anote las mediciones del multimetro. R// El SCR pasa a estado de conducción, obteniendo las siguientes lecturas. VAK = 0.78 VDC VR3 = 56 mVDC IA = 90 mA

¿Qué puede concluir de las mediciones realizadas en relación a la operación del SCR y su región de operación? R// El SCR quedó en conducción y no es necesario que se mantenga presionado S2. 6) Abra S1 momentáneamente y luego ciérrelo de nuevo. ¿Cuál es la lectura del voltímetro? VAK = 5.94 VDC VR3 = 56 mVDC IA = 0 mA Explique las mediciones correspondientes y que condiciones de operación se encuentra el SCR. R// El SCR ha pasado a estar apagado nuevamente, es decir, que se encuentra en la región de corte.

7) Oprima de nuevo S2, para disparar el SCR. 8) Aumente lentamente la resistencia de R3, observe la corriente de ánodo, debe de comenzar a disminuir, baje el rango del miliamperímetro de ser necesario, para obtener la lectura más exacta. Observe simultáneamente el voltímetro, que ocurre en el SCR, describa sus observaciones. R// Cuando se aumenta la resistencia la corriente comienza a disminuir, y el SCR pasa de estar en conducción a corte. 9) Repita este procedimiento para obtener la corriente de sostenimiento o corriente mínima de conducción en el SCR, justo antes de que caiga a cero el voltaje ánodo  – cátodo. IH = 1.26 mA 10) Apague la fuente de alimentación.

Parte 3: El SCR utilizado como interruptor DC 1) Mantenga armado el circuito de la figura anterior, sustituya R3 y R4, por una lámpara de conexión, como se muestra en la siguiente figura.

SW-SPST1

 AM1 +

VM2

Light17

V

V16

PB-SPSTO1

   5    9    5    1    N    2    1    U

R11k

+

V

VM1

   k    7    4    2    R

2) Ajuste la escala de corriente del amperímetro. Verifique que todas sus conexiones correspondientes antes de energizar el circuito. 3) Encienda la fuente de voltaje y ajústela a 6 VDC. Cierre S1. 4) Oprima momentáneamente a S2. Realice las siguientes mediciones. ¿Qué le ocurre a la lámpara? Calcule la potencia en el SCR y la lámpara así como la resistencia. VA = 0.89 VDC vLÁMPARA = 5.10 VDC ILÁMPARA = 33 mA

POTLÁMPARA = 168 mW RLÁMPARA = 154 Ω POTSCR = 29.3 mW

5) Abra S1 y cierre nuevamente S1. Dispare el SCR por medio de S2, la lámpara se debió encender. Con un alambre haga un puente momentáneo entre ánodo y cátodo (solo un pulso) ¿Qué ocurrió? R// El SCR se apago, debido a que el voltaje entre ánodo y cátodo es 0. 6) Apague la fuente.

Cuestionario. 1) ¿Por qué razón, el SCR utilizado en está practica no se puede probar en cualquier escala del tester? Esto se debe a que el diseño del óhmetro análogo, es el arreglo de resistencias de diferentes escalas, y se tiene que seleccionar la escala menor, porque a menor resistencia, mayor corriente; por lo tanto al colocar el tester en la menor escala, se logra alimentar al SCR con la mayor corriente. 2) ¿Cuáles son los métodos que ha experimentado que apagan un SCR? Quitando la alimentación (abriendo S1), es decir, haciendo la corriente de ánodo IA = 0. Aumentado la resistencia en el ánodo, para que disminuya la corriente de ánodo IA disminuya, al punto de llegar a ser menor que la corriente de de IH. Cortocircuitando el ánodo con el cátodo. 





3) Utilizando el circuito transistorizado de la figura de esta práctica. ¿Por qué el SCR solo necesita un pulso para mantenerse en conducción? Demuestre esto con un análisis de de corrientes relacionando el beta de los transistores.                                  

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Cuando se aplica una corriente de puerta I G positiva, Ic2 e IK aumentarán. Como Ic2 = Ib1, T1 conducirá y tendremos Ib2 = Ic1 + IG, que aumentará Ic2 y así el dispositivo evolucionará hasta la saturación, aunque se elimine la corriente de puerta I G. Tal efecto acumulativo ocurre si las ganancias de los transistores son mayores que 1. El componente se mantendrá en conducción desde que, después del proceso dinámico de entrada en conducción, la corriente del ánodo haya alcanzado un valor superior al límite IL, llamada corriente de enclavamiento “latching current”.

4) ¿Cuánto es la caída de tensión entre el ánodo y cátodo del SCR 5416 al tener como carga cualquier tipo de carga? VAK = 0.8 VDC

En conducción.

5) ¿Cuál es la corriente de sostenimiento del SCR experimentado y qué relación tiene con la hoja técnica de este? IH-Medida = 1.26 mA

IH-DataSheet = 5 mA Con VAK = 12 VDC

6) Esplique ¿Por qué el SCR SKT 10 no se le puede hacer la prueba de conducción que se le hizo al NTE 5416 en la primera parte? Esto se debe a que el tester análogo no proporciona la corriente necesaria para poder hacer funcionar al SCR CKT 10.

Conclusiones. El Rectificador Controlado de Silicio (SCR, por sus siglas en ingles), es un interruptor semiconductor unidireccional de 3 terminales, los cuales se usan para el control de energía A.C. y D.C. En esta práctica reconocimos las regiones de funcionamiento del SCR, las cuales serían: 

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Región de bloqueo inverso (VAK < 0): Este posee un parámetro PIV, que es idéntico al PIV de los diodos, que simboliza el máximo voltaje en inversa que puede soportar, en este caso, el SCR. Región de bloqueo directo (V AK > 0 sin disparo): El SCR se comporta como un circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa. Zona de conducción (VAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor cerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho estado si el valor de corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de mantenimiento.

Para que el SCR se encienda de la forma más usual, encendido por compuerta, deben de existir estas tres condiciones:   

Que el dispositivo este polarizado en directa entre ánodo y cátodo. Que exista un pulso de compuerta, con un valor suficiente, para encenderlo. Que sea posible IL en el momento de encendido y que permanezca en I H cuando esté en conducción.

Para apagar el SCR se puede concluir que los métodos que realizamos en la práctica son efectivos, los cuales son: 

 



Quitando la polarización directa entre ánodo y cátodo, es decir dejar de alimentar el circuito. Haciendo la corriente de ánodo I A = 0. Aumentado la resistencia en el ánodo, para que disminuya la corriente de ánodo I A hasta el punto de llegar a ser menor que la corriente de de IH. Cortocircuitando el ánodo con el cátodo.

Bibliografía.   

http://www.unicrom.com/Tut_scr.asp http://tec.upc.es/el/TEMA-2%20EP%20(v1).pdf  Electrónica de potencia – Rashid – Capitulo 4