Manual de Practicas Potencia

Manual de prácticas de Electrónica de Pot encia.

Índice PRACTICA #1........................................................................................................................ 5 DISPARO CON UJT ................................................. ............................................................................................... ......................................................... ........... 5 PRACTICA #2...................................................................................................................... 12 DISPARO CON PUT ....................................................................................................... 12 PRACTICA # 3..................................................................................................................... 20 DISPARO CON SBS........................................................................................................ 20 PRACTICA #4...................................................................................................................... 26 DISPARO CON REDES PASIVAS RC  ................................................................................ 26 PRACTICA # 5..................................................................................................................... 34 DISPARO CON TIMER ...................................................................................................... 34 PRACTICA # 6..................................................................................................................... 42 DISPARO USANDO PWM P WM ............................................ ........................................................................................... ................................................... 42 PRACTICA 7........................................................................................................................ 48 CONTROL DE SEÑAL TRIFÁSICA.............................................................................. 48 PRAC PR AC TIC A 8 ............. .................... .............. .............. .............. .............. .............. ............. .............. ............... ............. ............. ............... .............. ............. .............. ....... 62 CIRCUITO DE DISPARO CON CO N TRIAC CON MICROCONTROLAD MICROCONTROLADOR OR Y DETECCIÓN DE CRUCE POR CERO........................................................................... 62 PRACTICA # 9..................................................................................................................... 63 RECTIFICACION NO CONTROLADA......................................................................... 63 PRACTICA # 10................................................................................................................... 70 RECTIFICACION CONTROLADA ............................................................................... 70 PRACTICA # 11................................................................................................................... 79 CONVE CON VERTID RTIDO O R CD-CD ................................................................................................ ................................................................ ................................ 79 PRACTICA # 12................................................................................................................... 85 INVERSOR MONOFÁSICO PUENTE........................................................................... 85 PRACTICA # 13................................................................................................................... 91 INVERSOR TRIFÁSICO PUENTE ................................................................................ .................................... ............................................ 91 PROGRAM PROGRAMA: A: .................................................................................... ................................ 98

PRACTICA # 14................................................................................................................. 101 CONTR CON TROLADOR OLADOR DE CA BIDIRECCIONAL BIDIRECCION AL TRIFÁS TRIFÁS ICO ....................................... ................................. ...... 101

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Apéndice Apéndice A ............................................................................................ ........................................... .............................................................................. ............................. 116 Teoría del SCR ............................................................................................................... 116 Apéndice Apéndice B .......................................................................... ................................ ......................................................................................... ............................................... 120 Teoría del TRIAC ........................................................................................................... ........................................................................... ................................ 120 Apéndice C ......................................................................................................................... 123 Características eléctricas del MC34063.......................................................................... 123

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INTRODUCCION En la actualidad, la imperiosa necesidad de hacer más eficiente el uso de la energía ha dado lugar a un crecimiento increíble en el conocimiento de la Electrónica de Potencia, Potencia, nuevos nuevos dispositivos de control, dispositiv disposi tivos os de potencia más eficientes, software de desarroll desarro llo o y simulación simulación se usan e n e l diseño de circuitos de control de energía eléctrica eficientes y robustos. Conocimientos en el área digital, analógica, control y programación se conjugan en el dominio de la Electrónica de Potencia. Podemos ver que una gran diversidad de equipos domésticos e industriales se han desarrollado con base al conocimiento de la Electrónica de Potencia. Uno Uno de los dispositiv disposi tivos os de potencia potencia más usado es el e l SCR (Rectificador Controlado Controlado de Silicio, ver Apéndice A), otros como el TRIAC (Tiristor de Conducción Bilateral, ver Apéndice B), IGBT (Transistor Bipolar de Compuerta Aislada), MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Metal Oxido Semiconductor) también son importantes, se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia y operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones prácticas se puede suponer que son interruptores o conmutadores ideales, aunque en realidad para diseños de calidad, exhiben ciertas características y limitaciones que deben ser tomadas en cuenta. Dispositivos de control como UJT (Transistor de Unión Única), PUT (Transistor de Unión Programable), SBS (Switch Bilateral de Silicio) y dispositivos digitales también serán usados en este manual de prácticas. En las prácticas se usa usan n graficas simuladas simuladas para el mejo mejo r e nte nte ndimiento de los circuitos, se ha usado el ORCAD como herramienta de simulación y diseño aunque no es limitante para el uso de otra herramie nta nta computacional. computaciona l. En este manual se expondrán los conceptos básicos para el control y uso de los dispositivos de potencia más importantes en diversas configuraciones. La

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organización del manual de prácticas corresponde a la misma secuencia de los temas de estudio, del programa de Electrónica de Potencia, clave ECM-0415 de la carrera de Ingeniería Electrónica. En el primer tema se expone la introducción de la electrónica de potencia y dispositivos de disparo, con las prácticas: Disparo con los dispositivos UJT, PUT y SBS. En el segundo tema, Circuitos de disparo, se aborda los circuitos de disparo con redes pasivas, Timer y PWM. En el tercer tema: Los circuitos rectificadores y convertidores AC-CD controlados. En el cuarto tema: Los circuitos convertidores CD-CD o Troceadores. En el quinto tema, los circuitos inversores CD-AC y controladores AC-AC. Por último se muestra la teoría del SCR en el Apéndice A, TRIAC en el Apéndice B y del IC MC34063 en el  Apéndice C, como ayuda en el desarrollo de las prácticas.

OBJETIVO GENERAL DEL MANUAL. Este manual es elaborado con el objetivo de fortalecer los conocimientos del alumno en el campo de la Electrónica de Potencia, facilitar el desarrollo de las prácticas de Electrónica de Potencia, así como llevar un seguimiento del curso de Electrónica de Potencia de la carrera de Ingeniería Electrónica.

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TEMA 1 Introducción a la electrónica de potencia y dispositivos de disparo. OBJETIVO: Comprender la terminología de los dispositivos electrónicos de disparo y diseñar circuitos de disparo co n dispositivos discretos.

PRACTICA #1 DISPARO CON UJT

OBJETIVO ESPECÍFICO

Comprender el funcionamiento de circuitos de control de e nergía eléctrica con SCR y TRIAC usando activación por medio de UJT (Transistor de Unión Única o también conocido como Transistor Monounión). INTRODUCCIÓN

El UJT es un dispositivo excelente para el disparo de los SCR. La mayoría de los principios de disparo del UJT se aplican igualmente bien para el TRIAC. En la figura 1.1 se muestra el símbolo del UJT.

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Fig. 1.1 Símbolo del transistor UJT. Hay varias razones para la compatibilidad entre los UJT y el SCR: a) El UJT produce una salida tipo pulso, la cual es excelente para efectuar con seguridad el paso a conducción de un SCR sin que se exceda la capacidad de disipación de potencia de la puerta del SCR. b) El punto de disparo del UJT es prácticamente estable en un amplio rango de temperatura. Puede hacerse más estable con un pequeño esfuerzo. Este hecho anula la inestabilidad en temperatura de los SCR. c) Los circuitos de disparo con UJT facilitan el control realimentado. El método clásico para disparar un SCR con un UJT se muestra en la figura 1.2. +VCarga100

RD 2.2k C

VAMPL = 120 FREQ = 60

V1

100k + Vs -

R3 1k

R2

D1

UJT1 2N2646 C1 60n

100 R1

SCR1 C122B1

+ VR1 -

E

0

Fig. 1.2 Esquemático de disparo de un SC R por medio de UJT. Cuando el voltaje de entrada V1 cruza por cero hacia positivo, C1 comienza a cargarse a través de R2 hasta que el capacitor C1 alcanza el voltaje pico del UJT1,

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como consecuencia se activa el UJT1 originando un pulso de voltaje en R1, activando el SCR1; De este modo hace que fluya corriente por carga durante el resto del semiciclo positivo. Las formas de onda se muestran en las graficas de la figura 1.3.

Fig. 1.3 Señal de voltaje en zener, R1 y Carga. El circuito proporciona una sincronización automática entre el pulso de disparo del UJT1 y la polaridad del SCR1. Es decir, cada vez que el UJT1 entregue un pulso, hay garantía de que el SCR1, se encuentra con el voltaje de ánodo a cátodo en la polaridad correcta, para que pase al estado de conducción. La potencia en la carga se controla por medio del potenciómetro R2. Cuando R2 es baja, C1 se carga rápidamente, lo cual produce un disparo temprano del UJT1, y como consecuencia del SCR. Cuando R2 es grande, C1 se carga más lentamente, lo cual produce un disparo retardado y un bajo promedio de corriente de carga . El UJT también es un buen dispositivo para el disparo del TRIAC, en la figura 1.4 se muestra un circuito de disparo de TRIAC usando un UJT. En este circuito el voltaje de alimentación de CA de forma senoidal se rectifica con un circuito

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puente de diodos, esta señal se recorta con el diodo zener, el voltaje zener es aplicado como alimentación y sincronización de fase al circuito del UJT, cuando se activa el UJT se genera un pulso de voltaje que pasa através del transformador de impulso hasta la compuerta del TRIAC activándolo en cada fase de la señal de entrada, asegurando el control en el semiperiodo positivo y negativo del voltaje de alimentación, el potenciómetro R3 se usa para controlar el tiempo de activación del TRIAC. Las señales de este circuito en la carga, compuerta y TRIAC se muestran en la figura 1.5. R1

144 +VCargaR2

2.2k R3 24k

R4 1k

X3 V1 VOFF = 0 VAMPL = 169 FREQ = 60

BAW101

        2

2N2646 D1 1N5255

        1

C1 510n

TX1

X4 MAC224A8

0

Figura 1.4 Circuito de disparo de TRIAC usando un UJT. CORRELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIO: Esta práctica esta correlacionada con el tema: Introducción a la Electrónica de Potencia y Dispositivos de Disparo, cubriendo subtemas 1.1, 1.2 y parte del 1.3. MATERIAL Y EQUIPO:

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Osciloscopio con 3 canales diferenciales Puntas de prueba con atenuación 100:1 Multímetro Resistencia 2.2kΩ Potenciómetro 2.2 KΩ Resistencia R3 1KΩ Resistencia R4 100Ω Foco 120 VAC, 100 W Capacitor 0.68µf Diodo Zener D1N4474 o similar. UJT 2N4871 SCR 2N1597 o similar. Transformador de aislamiento (1:1)

METODOLOGIA:

NOTA: Tener cuidado con el uso del osciloscopio, pueden hacer corto por tierra. Si el circuito a medir no esta aislado utilice un trasformador aislador conectado al osciloscopio para evitar problemas de corto en el circuito por medio de tierras, ver figura 1.6.

Fig. 1.6. Protección del Osciloscopio. 1.- Construya el circuito esquemático de la figura 1.2. 2.- Con el Osciloscopio mida los voltajes en la carga, capacitor y compuerta, varíe lentamente el potenciómetro R4 en todo su rango y observe el cambio en las señales. Verifique que las mediciones y señales sean las esperadas.

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3.- Grafique los resultados de las mediciones. Use un valor de R4 tal que la señal de carga se corte en los puntos máximos de la señal de alimentación. 4.- Construya el circuito de la figura 1.4, puede usar otros valores de elementos, si así lo desea y recalcular los valores para un buen funcionamiento del circuito. 5.- Con el Osciloscopio mida los voltajes en la carga, capacitor y compuerta, varíe lentamente el potenciómetro R3 en todo su rango y observe el cambio en las señales. Verifique que las mediciones y señales sean las esperadas. 3.-Grafique los resultados de las mediciones. Use un valor de R3, tal que la señal en la carga se corte en los puntos máximos y mínimos de la señal de alimentación. SUGERENCIAS DIDACTICAS: 

Complementar la información proporcionada por el maestro.



Trabajar en grupos de 3 personas máximo y mínimo de 2.



Estudiar y comprender la práctica y temas relacionados previamente a su desarrollo.



Hacer los cálculos requeridos de los elementos a utilizar en la práctica, previos al desarrollo de la misma.



Simular los circuitos usando ORCAD, CircuitMaker u otro software previamente al desarrollo de cada práctica.

REPORTE DEL ALUMNO: 

Entregar al maestro el reporte de cálculos de los elementos de los circuitos a desarrollar en el laboratorio, antes de cada práctica.



Entregar al maestro el reporte escrito de la práctica realizada y el archivo en disco, en la siguiente semana de la realización de la práctica.

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BIBLIOGRAFIA: 

Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial del Estado sólido, Ed. Prentice Hall.



M. Rashid, Electrónica de Potencia, Ed. Thomson.



Manual de Tiristores, Motorola.



Henri Lilen, Tiristores y Triacs, Ed. Alfaomega Marcombo.

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PRACTICA #2 DISPARO CON PUT

OBJETIVO ESPECÍFICO.

Comprender el funcionamiento de circuitos de control de e nergía eléctrica con SCR y TRIAC usando activación por medio de PUT. INTRODUCCIÓN

El transistor de unión programable PUT, es un pequeño tiristor de cuatro capas PNPN, muy diferente a la estructura del UJT, pero que tiene la misma función y uso del UJT: El disparo de SCR y TRIAC. El símbolo se muestra en la figura 2.1. ANODO

COMPUERTA

CATODO

Fig. 2.1 Símbolo del PUT. Un PUT se puede usar como oscilador de relajación, tal y como se muestra en la figura 2.2. El voltaje de compuerta VG es dado por la fuente de alimentación y el divisor de voltaje formado por Rl y R2. El voltaje de punto de pico Vp=VG+0.7 V, el cual puede variar al modificar el valor del divisor resistivo R1 y R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, el dispositivo conservara en su estado inactivo, pero si el voltaje de ánodo excede al de compuerta en una caída de voltaje de diodo VD, se alcanzará el punto de pico Vp y el dispositivo se activará. La corrie nte de pico Ip y la corriente del punto de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta y del voltaje de alimentación de CD. En general Rk esta limitado a un valor por debajo de los 100 Ohms.

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R y C controlan la frecuencia (f) junto co n R1 y R2. El periodo de oscilación T esta dado en forma aproximada por: T= 1/f = RC ln [Vs/(Vs-Vp)] = RC ln [1+(R2/R1)]

Figura 2.2 Circuito oscilador con PUT. El PUT es también, un dispositivo excelente para el disparo de los SCR y TRIAC. El circuito de la figura 2.3, usa un PUT con un SCR para controlar las dos fases de la señal de entrada.

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Fig. 2.3 Circuito de disparo con SCR usando un PUT. En este circuito la señal de entrada senoidal es rectificada por el puente de diodos D1, D2, D3, D4, la señal rectificada es recortada por el zener D5 y usada como alimentación y sincronización de cada fase en el circuito oscilador con PUT, R2 y C1 determinan el tiempo de activación del PUT, cuando el voltaje de C1 alcanza el voltaje de pico Vp del PUT, el voltaje de pico es determinado por el divisor de voltaje R3, R4. Cuando se activa el PUT se origina un pulso de voltaje en el cátodo que es transmitido por medio del transformador de impulso hasta la compuerta del SCR, activándolo en cada semiciclo o fase de la señal de entrada. Los diodos D6, D7, D8, D9 direccionan la conducción de corriente en una misma dirección ánodo-cátodo del SCR, para cada semiciclo de la señal de entrada. Sustituyendo los diodos D6, D7, D8, D9 y el SCR por un TRIAC se obtendría el mismo efecto en la carga, con la misma señal de voltaje.

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Las formas de ondas de este circuito PUT-SCR, se puede observar en la figura 2.4.

Fig. 2.4 Graficas de las señales en la carga, SCR y compuerta. En el caso de usar un TRIAC en lugar del subcircuito formado por D6, D7, D8, D9 y el SCR, las señales en carga, compuerta y TRIAC se muestran en la figura 2.5.

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Fig. 2.5 Graficas de las señales en la carga, TRIAC y compuerta. CORRELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIO: Esta practica esta correlacionada con el tema: Introducción a la Electrónica de Potencia y Dispositivos de Disparo, cubriendo subtemas 1.1, 1.2 y parte del 1.3.

MATERIAL Y EQUIPO               

Osciloscopio con 3 canales diferenciales Punta de prueba con atenuación de 100:1 Foco 120VAC, 100W Diodo Zener 24V PUT 2N6027 SCR 1N6403 2.2KΩ Resistencia 60KΩ Resistencia 50KΩ Resistencia Potenciómetro 100KΩ Transformador para pulsos Página 16

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  

Capacitor 0.47µf Transformador 1:1 8 Diodos IN4007

METODOLOGIA:

NOTA: Tener cuidado con el uso del osciloscopio, pueden hacer corto por tierra. Si el circuito a medir no esta aislado utilice un trasformador aislador conectado a1 osciloscopio para evitar problemas de corto en el circuito por medio de tierras, ver figura 1.6. 1.- Construya el circuito esquemático de la figura 2.6 y conteste lo que se pide.

Fig. 2.6 Circuito de disparo PUT-SCR. 2.- Con el Osciloscopio mida los voltajes en la carga, capacitor y compuerta, varíe lentamente el potenciómetro R5 en todo su rango y observe el cambio en las señales. Verifique que las mediciones sean correctas y las señales las esperadas.

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3.- Grafique los resultados de las mediciones. Ajuste el valor de R5 tal que el voltaje de la carga se recorte en los puntos máximos y mínimos de la señal de alimentación. 4.- En la figura 2.6, cambie el subcircuito formado por los diodos D21, D22, D23, D24 y el SCR X3 por un TRIAC, puede usar otros valores de elementos si así lo desea y recalcular los valores para un buen funcionamiento del circuito. 5.- Con el Osciloscopio mida los voltajes en la carga, capacitor y compuerta, varíe lentamente el potenciómetro R5 en todo su rango y observe el cambio en las señales. Verifique sus mediciones y revise que las señales sean las esperadas. 3.- Grafique los resultados de las mediciones. Ajuste el valor de R5 tal que el voltaje de la carga se recorte en los puntos máximos y mínimos de la se ñal de alimentación. SUGERENCIAS DIDACTICAS: 

Complementar la información proporcionada por el maestro.



Trabajar en grupos de 3 personas máximo y mínimo de 2.



Estudiar y comprender la práctica y temas relacionados previamente a su desarrollo.



Hacer los cálculos requeridos de los elementos a utilizar en la práctica, previos al desarrollo de la misma.



Simular los circuitos usando ORCAD, CircuitMaker u otro software previamente al desarrollo de cada práctica.

REPORTE DEL ALUMNO:  Entregar al maestro el reporte de cálculos de los elementos de los circuitos

a desarrollar en el laboratorio, antes de cada práctica.

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Entregar al maestro el reporte escrito de la práctica realizada y el archivo en disco, en la siguiente semana de la realización de la práctica.

BIBLIOGRAFIA: 

Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial del Estado sólido, Ed. Prentice Hall.



M. Rashid, Electrónica de Potencia, Ed. Thomson.



Manual de Tiristores, Motorola.



Henri Lilen, Tiristores y Triacs, Ed. Alfaomega Marcombo.

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PRACTICA # 3 DISPARO CON SBS

OBJETIVO ESPECÍFICO.

Comprender el funcionamiento de circuitos de control de energía eléctrica con SCR y TRIAC usando activación por medio de SBS (Switch Bilateral de Silicio). INTRODUCCIÓN

El SBS es un circuito integrado que tiene características similares a los tiristores de cuatro capas PNPN, ya que en su activación presenta característica de resistencia negativa. El símbolo se muestra en la figura 3.1.  Anodo1

Compuerta

 Anodo2

Fig. 3.1 Símbolo del circuito integrado SBS. El diagrama del circuito integrado SBS se muestra en la figura 3.2. El SBS tiene tres terminales, conduce en dos direcciones por las terminales Anodo1 y Anodo2, la compuerta sirve para cambiar el voltaje de activación del SBS, colocando un par de diodos zener de menor voltaje entre las terminales de Compuerta-Anodo1 y Compuerta-Anodo2 como se indican en los diodos zener internos del SBS, en este caso el voltaje de activación es igual a la caída de voltaje del transistor mas el voltaje zener del diodo externo. Otra manera es colocando en las mismas terminales resistencias de 20 K, reduciendo el voltaje de activación hasta 4 V aproximadamente.

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Un circuito de disparo típico usando un SBS para activar un TRIAC se muestra en la figura 3.3.  Anodo1

20k

6.8 V

Compuerta

6.8 V 20k

 Anodo2

Figura 3.2 Circuito del SBS. En este caso el SBS y TRIAC hacen buena pareja ya que los dos son bidireccionales y pueden controlar las dos fases de la señal de entrada en un circuito muy simple económico y funcional. R3

R4

CARGA

R5 R2

R1

D2 X2

V1 120 V

X1

60 Hz

C2

C1

D1

Fig. 3.3 Circuito de disparo con TRIAC usando un SBS. En este circuito el voltaje aplicado al SBS esta desfasado respecto al voltaje de entrada con una constante de tiempo dada por la red C1(R1+R4) que controla el tiempo de activación por medio de R1 del circuito de disparo, los dispositivos Página 21

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D1,D2 y R5 sirven para descargar el capacitor C1 al termino de la fase positiva de la señal de entrada, para que siempre el voltaje del capacitor C1 empiece de casi 0 V en cada semiciclo de la señal de entrada y así no haya corrimiento de fase que afecte a la activación del TRIAC. R2 y C2 es una red de Snubber que sirve para reducir las señales transitorias de línea y así no afecte el funcionamiento del TRIAC por efectos de dv/dt. Las señales en Carga, Compuerta del triac y terminales principales del TRIAC se muestran en la figura 3.4.

Fig. 3.4 Graficas de las señales en la Carga, TRIAC y Compuerta del triac. CORRELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIO: Esta práctica esta correlacionada con el tema: Introducción a la Electrónica de Potencia y Dispositivos de Disparo, cubriendo subtemas 1.1, 1.2 y parte del 1.3. MATERIAL Y EQUIPO 

Osciloscopio 3 canales diferenciales Página 22

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          

Punta de prueba con atenuación 100:1 R3, Foco 120VAC, 100W X1 TRIAC MAC120 X2 SBS MBS4991 R1 Resistencia 1000 KΩ R2 Resistencia 10 KΩ R4 Resistencia 470 Ω R5 Potenciómetro 5.1KΩ C1 Capacitor 0.22 µf C2 Capacitor 0.1 uf D1,D2 Diodos IN4003

METODOLOGIA:

NOTA: Tener cuidado con el uso del osciloscopio, pueden hacer corto por tierra. Si el circuito a medir no esta aislado utilice un trasformador aislador conectado a1 osciloscopio para evitar problemas de corto en el circuito por medio de tierras, ver figura 1.6. 1.- Construya el circuito esquemático de la figura 3.3, si usa dispositivos de valores diferentes a los indicados, calcule los valores del resto de los elementos para un buen funcionamiento del circuito. 2.- Con el Osciloscopio mida los voltajes en la Carga, TRIAC y compuerta del triac, varíe lentamente el potenciómetro R1 y observe el cambio en las señales. Verifique que las mediciones sean correctas y las señales las esperadas. 3.- Grafique los resultados de las mediciones. Ajuste el valor de R1 tal que el voltaje de la carga se recorte en los puntos máximos y mínimos de la se ñal de alimentación. SUGERENCIAS DIDACTICAS: 

Complementar la información proporcionada por el maestro.



Trabajar en grupos de 3 personas máximo y mínimo de 2.

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Manual de prácticas de Electrónica de Pot encia.



Estudiar y comprender la práctica y temas relacionados previamente a su desarrollo.



Hacer los cálculos requeridos de los elementos a utilizar en la práctica, previos al desarrollo de la misma.



Simular los circuitos usando ORCAD, CircuitMaker u otro software previamente al desarrollo de cada práctica.

REPORTE DEL ALUMNO:  Entregar al maestro el reporte de cálculos de los elementos de los circuitos

a desarrollar en el laboratorio, antes de cada práctica. 

Entregar al maestro el reporte escrito de la práctica realizada y el archivo en disco, en la siguiente semana de la realización de la práctica.

BIBLIOGRAFIA: 

Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial del Estado sólido, Ed. Prentice Hall.

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M. Rashid, Electrónica de Potencia, Ed. Thomson.

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Manual de Tiristores, Motorola.

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Henri Lilen, Tiristores y Triacs, Ed. Alfaomega Marcombo.

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TEMA 2 Circuitos de disparo. OBJETIVO: Diseñar circuitos de disparo usando diferentes técnicas.

PRACTICA #4 DISPARO CON REDES PASIVAS RC 

OBJETIVO ESPECÍFICO

Comprender el funcionamiento de circuitos de control de energía eléctrica con SCR y TRIAC usando redes pasivas RC (Resistiva-Capacitiva). INTRODUCCIÓN

El método mas simple de control de compuerta es adicionando un capacitor en el extremo inferior de la resistencia del terminal de compuerta, tal como se muestra en la figura 4.1. La ventaja de este circuito es que el ángulo de disparo puede ajustarse a más de 90 grados. R4

R1

V1 120 V 60 Hz

R2 SCR

C1

Figura 4.1. Circuito de control de compuerta de un SCR por red pasiva RC. En el circuito cuando la fuente AC es negativa, el voltaje inverso a través del SCR es aplicado al circuito de disparo (R1+R2)C1, cargando el capacitor C1 su placa superior negativa y su placa inferior positiva, por lo que el SCR no se activa.

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Cuando la fuente entra en su semiciclo positivo, el voltaje directo a través del SCR tiende a cargar C1 en la polaridad opuesta. Sin embargo, la formación de voltaje en la dirección opuesta es retardada por la constante de tiempo (R1+R2)C1 de la red pasiva RC. Este retardo en la aplicación de un voltaje positivo a la puerta, puede extenderse más allá de 90°. Cuanto mayor sea la magnitud de la resistencia del potenciómetro, mas tiempo toma C1 en cargar positivamente su placa superior, y mas tarde se activará el SCR. Esta idea puede ampliarse utilizando cualquiera de los circuitos de disparo de la figura 4.2. En La Figura 4.2a, se ha adicionado una resistencia en la terminal de compuerta, y se requiere por tanto que el capacitor se cargue por encima de 0,6 V para disparar al SCR. Con la resistencia conectada, el voltaje del capacitor debe alcanzar un valor lo suficientemente alto para inyectar la corriente de compuerta necesaria Igt a través de la resistencia y hacia la terminal de compuerta. Dado que C1 ahora se carga a un voltaje más alto, el disparo es aun más retardado. La figura 4.2b muestra una red RC doble para el control de compuerta. En este esquema, el voltaje retardado de C1 es utilizado para cargar C2, resultando aun más retardo en la formación del voltaje de compuerta. Los capacitores de la figura 4.2 generalmente están en el rango de 0.1 a 1 μF. Para la magnitud dada de los capacitores, el mínimo ángulo de disparo (máxima corriente de carga), se determina por medio de las resistencias R1 y R3 y el mínimo ángulo de disparo, (mínima corriente de carga), se determina sustancialmente por la magnitud de la resistencia variable R2. Los fabricantes de SCR proporcionan curvas detalladas para ayudar a la selección de resistencias y capacitores para los circuitos de control de compuerta de la figura 4.2. En términos generales, cuando estos circuitos de control se utilizan con una fuente AC de 60 Hz, La constante de tiempo RC del circuito debe estar en el Página 27

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rango de 1 a 30 ms. Es decir, para el circuito simple RC de la figura 4.2a, el producto (R1+R2)* C1 debe estar en el rango de 1 ms a 30 ms. Para el circuito doble RC de la figura 4.2b, (R1+ R2)*C1 debe estar comprendido en este rango, lo mismo que R3C2.

R4

R4

R1

R1

V1 120 V 60 Hz

V1 R2 R3

SCR

120 V 60 Hz

R2 R3

SCR

C2 C1

C1

(a)

(b)

Fig. 4.2 Circuitos de disparo RC mejorados. a) Adicionando una resistencia en R3 en la compuerta. b) Adicionando una red R3C2 en la compuerta. Las formas de onda de las señales para el circuito de la figura 4.2b se muestran en la figura 4.3.

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Fig. 4.3 Graficas de las señales del circuito de di sparo RC. El uso de redes pasivas RC para disparo de TRIAC se muestra en la figura 4.4. El circuito 4.4a y 4.4b funcionan de forma muy similar a los circuitos de la figura 4.2 solo que en este caso al TRIAC conduce en dos direcciones cuando este se activa, produciendo en la carga una señal alterna de fase recortada para cada semiciclo, el TRIAC se activa cuando alcanza el valor de cebado o activación de compuerta Igt. Las formas de onda de las señales para este circuito se muestran en la figura 4.5.

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R4

R4

R1

R1

V1 120 V 60 Hz

V1 R2 R3

TRIAC

120 V 60 Hz

R2 R3

TRIAC

C2 C1

C1

(a)

(b)

Figura 4.4 a) Circuito simple de control de compuerta para un TRIAC. b) Circuito de control mejorado, el cual proporciona un amplio rango de ajuste del ángulo de disparo.

Fig. 4.5 Graficas de las señales del circuito de disparo RC con TRIAC.

CORRELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIO: Esta practica esta correlacionada con el tema: Circuitos de disparo, cubriendo subtemas 2.1.

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MATERIAL Y EQUIPO:         

Osciloscopio 3 canales diferenciales Puntas de prueba con atenuación 100:1 R4 Foco 100 W 120 VAC SCR MCR12D o equivalente TRIAC MAC210-6 o equivalente R1 Resistencia 22 KΩ R2 Potenciómetro 500 KΩ R3 Resistencia 50 KΩ C1,C2 Capacitores 0.22µf

METODOLOGIA:

1.- Construya el circuito de la figura 4.2b. En el caso de no tener los elementos de la lista de materiales con los valores indicados, recalcule los valores de los dispositivos a usar para un buen funcionamiento del circuito. 2.- Use el osciloscopio diferencial o un osciloscopio de canales con entrada común usando aislamiento con transformador para evitar cortos circuitos, vea la figura 1.6. 3.- Mida los voltajes en la carga, compuerta y SCR. Grafique las señales medidas. Verifique que sean las se ñales que esperaba ver. 4.- Construya el circuito de la figura 4.4b y repita el paso 2 y 3 anteriores. SUGERENCIAS DIDACTICAS: 

Complementar la información proporcionada por el maestro.



Trabajar en grupos de 3 personas máximo y mínimo de 2.



Estudiar y comprender la práctica y temas relacionados previamente a su desarrollo.

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

Hacer los cálculos requeridos de los elementos a utilizar en la práctica, previos al desarrollo de la misma.



Simular los circuitos usando ORCAD, CircuitMaker u otro software previamente al desarrollo de cada práctica.

REPORTE DEL ALUMNO: 

Entregar al maestro el reporte de cálculos de los elementos de los circuitos a desarrollar en el laboratorio, antes de cada práctica.



Entregar al maestro el reporte escrito de la práctica realizada y el archivo en disco, en la siguiente semana de la realización de la práctica.

BIBLIOGRAFIA: 

Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial del Estado sólido, Ed. Prentice Hall.



M. Rashid, Electrónica de Potencia, Ed. Thomson.



Manual de Tiristores, Motorola.



Henri Lilen, Tiristores y Triacs, Ed. Alfaomega Marcombo.

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PRACTICA # 5 DISPARO CON TIMER.

OBJETIVO ESPECÍFICO

Comprender el funcionamiento de circuitos de control de e nergía eléctrica usando circuitos integrados TIMER. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se mostrara el TIMER 555 como dispositivo de control de disparo para un TRIAC. El TIMER 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador, con periodos de oscilación de microsegundos hasta horas.  Algunas aplicaciones son como temporizador, oscilador, divisor de frecuencia, modulador de frecuencia, generador de señales triangulares. El IC TIMER 555 se muestra en la figura 5.1.

Figura 5.1. Diagrama interno del TIMER 555.

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El TIMER 555 Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales positiva (8) y tierra (1); el valor de la fuente de alimentación se extiende desde 4.5 V hasta 16.0 V de corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su capacitor una señal de voltaje que esta en función del tiempo, esta señal de transición es de 1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado externamente sobre la terminal (2) que es la entrada de un comparador. La terminal (6) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de señal externa que le sirve de disparo. La termina1 (5) se dispone para producir modulación por anchura de pulsos, la descarga del condensador exterior se hace por medio de la terminal (7), se descarga cuando el transistor NPN, se encuentra en saturación, se puede descargar prematuramente el capacitor por medio de la polarización del transistor PNP. Se dispone de la base del transistor PNP en la terminal (4), si no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor PNP, de otro modo se puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee. La salida esta provista en la terminal (3) del microcircuito y es además la salida de un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da mas versatilidad al circuito de tiempo 555, ya que la corriente máxima que se puede obtener cuando la terminal (3) se conecta directamente a tierra es de 200mA. La salida del comparador "A" y la salida del comparador "B" están conectadas al Reset y Set del FlipFlop tipo SR (FF-SR) respectivamente, la salida del FF-SR actúa como señal de entrada para el amplificador de corriente, mientras que el voltaje de la terminal (6) sea mas pequeño que el voltaje contra el que se compara, la entrada Reset del FF-SR no se activará, por otra parte mientras que el nivel de tensión presente en la terminal 2 sea mas grande que el nivel de tensión contra el que se compara la entrada Set del FF-SR, no se activará.

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El uso del TIMER 555 como circuito oscilador se muestra en la figura 5.2. La señal de salida tiene forma de onda cuadrada de periodo predefinido por el diseñador del circuito. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración dependen de los valores de R1 y R2.

T1 = 0.67 (R1 + R2) C T2 = 0.67 * R2* C T = T1 + T2 La frecuencia con que la señal de salida oscila esta dada por la formula: F=1/T F = 1.44 / (R1 + 2R2)

Figura 5.2 Oscilador con TIMER 555. Las formas de onda del circuito 5.2 se muestra en la figura 5.3.

Fig. 5.3 Señales del capacitor en la terminal 6 y de salida en terminal 3. Página 36

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Una aplicación del oscilador con TIMER 555 se muestra en la figura 5.4. En la fig. 5.4a el circuito de disparo tiene un transformador de impulsos y en la fig. 5.4b el circuito tiene un optoaislador salida triac, ambos dispositivos tienen la misma función de aislar el circuito de control (TIMER 555), del circuito de potencia (TRIAC). El circuito de control (circuito oscilador con TIMER 555) proporciona el tiempo de activación, ajustando el potenciómetro R4 del circuito de la fig. 5.4. El voltaje de alimentación es rectificado por el puente rectificador y recortado por el diodo zener, variando desde 0 V hasta el voltaje zener, este voltaje es 0 V  justamente cuando inicia un semiciclo de la señal de alimentación, proporciona ndo una sincronización al circuito oscilador respecto a la señal de alimentación. En la descarga del capacitor C1 se genera una señal pulso en la terminal 3 del IC 555 que se transmite a través del transformador de pulsos o del optoacoplador hasta la compuerta del TRIAC, activándolo y proporcionando una señal alterna de fase recortada en la carga.

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R1

Vcompuerta

Vcarga

X1

TX1

R2

8 U1

555B R5 2 4 5 6 7

V1 179V 60H

D1

R4

U3 1 2

ac1 + - ac2

4 3

R3

VCC TRIGGER RESET OUTPUT CONTROL THRESHOLD DISCHARGE GND 1

C2 Vc1

3

C1

(a) R1

Vcompuerta

Vcarga

R7

R2 R5 2 4 5 6 7

V1 179V 60H

D1

R4

U3 1 2

ac1 + - ac2

4 3

U1

U2

       6

1

VCC TRIGGER RESET OUTPUT CONTROL THRESHOLD DISCHARGE

3

2

       4

X1

GND

R3 C2 Vc1

R6

8 555B

1

C1

(b)

Fig. 5.4. Circuito de disparo con TIMER 555 usando a) Acoplamiento a Transformador o Magnético, b) Optoacoplamiento. La figura 5.5 muestra las señales alimentación, carga, capacitor C1 y compuerta del circuito de la figura 5.4.

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200V V1 0V

-200V V(R1:1,0)

Vc 1

10 V

0V V(R3:1,C1:1) 4.0V Vcompuerta 0V

-4.0V V(TX1:3,TX1:4) 200V Vcarga 0V SEL>> -200V 0s

5ms

10ms

15ms

2 0 ms

25ms

3 0 ms

35ms

4 0 ms

45ms

50ms

V(R1:1,R1:2) Time

Fig. 5.5 Formas de o nda del circuito 5.4a y 5.4b. CORRELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIO: Esta practica esta correlacionada con el tema: Circuitos de disparo, cubriendo subtemas 2.2, 2.3. MATERIAL Y EQUIPO                

R1 Foco 100W 120V R2 Resistencia 1 K R3 Resistencia 100  R4 Potenciómetro 200 K R5 Resistencia 3 K R6 Resistencia 200  R7 Resistencia 300  C1 Capacitor 0.1 uF C2 Capacitor 0.01 uF TX1 Transformador de impulsos U1 IC TIMER 555B U2 Optoaislador salida Triac MOC3011 X1 TRIAC MAC210-6 U3 IC rectificador puente D1G4B1 D1 Zener D1N4749 1 Osciloscopio con 3 canales diferenciales.

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

Punta de prueba con atenuación de 100:1

METODOLOGIA:

1.-Construya el circuito 5.4a, para este circuito. En el caso de no tener los elementos de la lista de materiales con los valores indicados, recalcule los valores de los dispositivos a usar para un buen funcionamiento del circuito. Las formulas de los periodos y frecuencias son las siguientes Carga del capacitor C1,

T1= 0.67 (R2+R3+R4)C1

Descarga de C1, T2 = 0.67 R3 C1 Como R3