Métodos de Disparo de Los Tiristores

Circuitos osciladores con diodos Shockley.

Cuenta prácticamente con las mismas características del SCR, con corriente de compuerta cero. Se enciende al incrementar el voltaje de polarización directa a través del dispositivo por encima del nivel de transición conductiva. Disparo • •

Polarización positiva ánodo - cátodo. La puerta debe recibir un pulso positivo respecto a la polarización !ue en ese momento ten"amos en el cátodo# durante un tiempo su$iciente como para !ue %& sea ma'or !ue la intensidad de en"anc(e.

Corte • •

 &nular la tensión tensión !ue tenemos aplicada aplicada entre ánodo ánodo ' cátodo. cátodo. %ncrementar la resistencia de car"a (asta !ue la corriente de ánodo sea in$erior a la corriente de mantenimiento %)#, o $orzar a !ue %& * %).

CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS +ependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de ener"ía !ue produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. ste aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de $u"as, !ue a su vez provoca un aumento de la temperatura, creando un $enómeno de acumulación de calor !ue debe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor. Disparo de los tiristores

Para !ue se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo ' la seal de mando debe permanecer un tiempo su$icientemente lar"a como para permitir !ue el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo ma'or !ue %L, corriente necesaria para permitir !ue el SCR comience a conducir. Para !ue, una vez disparado, se manten"a en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor %), marcando el paso del estado de conducción al estado de blo!ueo directo. étodos de disparo de los tiristores son/

• • • • •

Por puerta. Por módulo de tensión. 0# Por "radiente de tensión d01dt# +isparo por radiación. +isparo por temperatura.

l modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo ' "radiente de tensión son modos no deseados, por lo !ue los evitaremos en la medida de lo posible. Disparo por puerta s el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta ' cátodo a la vez !ue mantenemos una tensión positiva entre ánodo ' cátodo.

2na vez disparado el dispositivo, perdemos el control del mismo por puerta. n estas condiciones, si !ueremos blo!uearlo, debemos (acer !ue 0&3 * 0) ' !ue %& * %)

Disparo por módulo de tensión ste método podemos desarrollarlo basándonos en la estructura de un transistor/ si aumentamos la tensión colector - emisor, alcanzamos un punto en el !ue la ener"ía de los

portadores asociados a la corriente de $u"as es su$iciente para producir nuevos portadores en la unión de colector, !ue (acen !ue se produzca el $enómeno de avalanc(a. sta $orma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada4 sin embar"o, ocurre de $orma $ortuita provocada por sobretensiones anormales en los e!uipos electrónicos. Disparo por gradiente de tensión Si a un tiristor se le aplica un escalón de tensión positiva entre ánodo ' cátodo con tiempo de subida mu' corto, los portadores su$ren un desplazamiento para (acer $rente a la tensión e5terior  aplicada. La unión de control !ueda vacía de portadores ma'oritarios4 aparece una di$erencia de potencial elevada, !ue se opone a la tensión e5terior creando un campo eléctrico !ue acelera $uertemente a los portadores minoritarios produciendo una corriente de $u"as.

Disparo por radiación La acción de la radiación electroma"nética de una determinada lon"itud de onda provoca la elevación de la corriente de $u"as de la pastilla por encima del valor crítico, obli"ando al disparo del elemento. Los tiristores $otosensibles llamados L&SCR o Li"(t &ctivated SCR# son de pe!uea potencia ' se utilizan como elementos de control todo - nada. stá asociado a la creación de pares electrón 6 (ueco por la absorción de la luz del elemento semiconductor. Disparo por temperatura l disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - (ueco "enerados en las uniones del semiconductor. &sí, la suma 7897:# tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante (asta un cierto valor de la temperatura ' disminu'e al aumentar ésta. Condiciones necesarias para el control de un SCR 

Para el control en el disparo • • •

 ;nodo positivo respecto al cátodo La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo. n el momento del disparo % anica $orma es reducir su corriente a un valor menor !ue la corriente de mantenimiento, esto se lo"ra reduciendo 0 CC a un valor bajo. La corriente de mantenimiento circula a través de la resistencia de car"a, la tensión de alimentación para !ue el SCR conduzca tiene !ue ser menor !ue

Diferencia de un 5ET de potencia 6 un SCR anto el E como el SCR conmutan corrientes "randes, pero a la vez son di$erentes. La principal di$erencia es la $orma en !ue se abren, en el caso de un E la tensión de puerta puede abrir no conducción# ' cerrar conducción# el dispositivo. n cambio en el SCR la tensión de puerta solo puede cerrarlo.

Los E act>an como un dispositivo de dos posiciones en tanto !ue el SCR lo (ace como uno de una sola pulsación. E7EMP89 El SCR tiene una tensión de disparo de ./01, 6 una corriente de disparo de 0mA" :Cu;l es la tensión de entrada #ue cierra el SCR< Si la corriente de mantenimiento es de 4 mA" :Cu;nto $ale la tensión de alimentación #ue lo a=re<

ínima tensión de entrada necesaria para disparar el SCR

0inF @,AG0 9 Am&8PT9R Si e5iste al">n desper$ecto dentro de la $uente de alimentación !ue resulte en una elevación de la tensión de salida, puede traer resultados totalmente destructivos. uc(os de los circuitos inte"rados no pueden soportar tensiones de alimentación demasiado altas sin !ue se destru'an, de a(í !ue una de las aplicaciones del SCR es la protección de car"as delicadas ' caras en contra de sobretensiones de la $uente de alimentación.

La $uente de la $i"ura es una $uente de alimentación positiva de valor 0cc !ue alimenta una car"a prote"ida, el trabajo de protección lo realiza el zener, resistencia ' el SCR, "eneralmente el valor de 0cc es in$erior a la tensión de ruptura del zener, no e5iste entonces tensión a través de R ' el SCR permanece abierto, la car"a recibe la tensión 0cc ' no se "enera nin">n problema. Lue"o ima"inemos !ue la tensión de la $uente se incrementa por al"una razón, si 0cc es demasiado "rande, el zener conduce ' aparecerá entonces una tensión circulando por R, si esta

tensión es ma'or !ue la de disparo del SCR "eneralmente @,A0# entonces el SCR se cebará ' conducirá. La car"a se prote"e inmediatamente contra los daos !ue podría producir la sobretensión. La sobretensión !ue dispara el SCR es/

Se trata entonces de una $orma de protección mu' drástica, pero necesaria en circuitos inte"rados di"itales !ue no pueden tener sobretensiones, al tener el circuito de protección mediante interruptor con SCR permitirá cortocircuitar las terminales de car"a apenas aparezca la primera seal de sobretensión. Las $uentes !ue tienen la protección con SCR además necesitan un limitador de corriente $usible#, para evitar adicionalmente daos en la $uente de alimentación. C9)TR98 DE 5ASE MEDIA)TE SCR

stos dispositivos pueden controlar car"as industriales elevadas utilizando el control de $ase.

n el "ra$ico a# podemos ver !ue se está aplicando una tensión de red a un circuito SCR !ue controla la corriente a través de una elevada car"a. R8 ' C se encar"an de modi$icar el án"ulo de $ase en la seal de puerta, si R 8 es @, la tensión de puerta está en $ase con la tensión de red, entonces el SCR act>a como un recti$icador de media onda, R: se encar"a de limitar la corriente de puerta a un valor se"uro. Si R8 crece la tensión de puerta se atrasa con respecto a la tensión de red en un án"ulo entre @K ' @K. &ntes de este punto el SCR está abierto ' la corriente de car"a es @. Lue"o en el punto de disparo la tensión en el condensador es su$icientemente "rande para disparar el SCR, entonces

casi toda la tensión aparece en los terminales de la car"a, la corriente !ue circula por la car"a es elevada, entonces el SCR una vez cebado se mantendrá conduciendo (asta !ue la tensión de la red cambie de polaridad. La parte sombreada del "rá$ico será la parte donde el SCR conduce, como R 8 es variable, el án"ulo de $ase de la tensión de puerta se puede variar. Se pude entonces controlar el valor  medio de la corriente a través de la car"a. ste tipo de control es mu' >til para cambiar de velocidad un motor, el brillo de una lámpara o la temperatura de un (orno de inducción. l mar"en de corriente controlable es limitado debido a !ue el án"ulo de $ase solo puede variar  entre @K o @K. Con la utilización de otros circuitos más complejos se puede cambiar el án"ulo de $ase entre @K ' 8M@K, entonces se podría variar la corriente media desde @ a su valor má5imo. Control de disparos falsos del SCR Eara evitar lo $alsos disparos de un SCR, el cambio de la tensión del ánodo no debe e5ceder la velocidad crítica de crecimiento de la sección !ue se muestra en la (oja de características. E?TI)CI@) DE8 TIRIST9R" TIP9S DE C9)M>TACI@)" ntenderemos por e5tinción, el proceso mediante el cual, obli"aremos al tiristor !ue estaba en conducción a pasar a corte. n el momento en !ue un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo. l tiristor debe presentar en el tiempo ciertas condiciones para pasar de nuevo a corte. ste estado implica simultáneamente dos cosas/ 8. La corriente !ue circula por el dispositivo debe !uedar completamente blo!ueada. :. La aplicación de una tensión positiva entre ánodo ' cátodo no debe provocar un disparo indeseado del tiristor.  5isten diversas $ormas de conmutar un tiristor, sin embar"o podemos a"ruparlos en dos "randes "rupos/ C9)M>TACI@) )AT>RA8. a# Libre. b# &sistida. C9)M>TACI@) 59RADA. a# Por contacto mecánico. b# Por circuito resonante.   -Serie   -Paralelo c# Por car"a de condensador. d# Por tiristor au5iliar.

Operación de los SCR en serie y en paralelo.

Protección de los SCR contra di/dt y contra dv/dt.

PR9TECCI9)ES C9)TRA d,Bdt  dIBdt"  Solución/ colocar una red RC en paralelo con el SCR ' una L en serie. Calculo/ método de la constante de tiempo ' método de la resonancia.

Ei"ura 88. Circuito de protección contra d01dt ' d%1dt. Mtodo de la constante de tiempo"  C;lculo de R 6 CF +" Se calcula el valor mínimo de la constante de tiempo N de la d01dt del dispositivo ' el valor de R ' C/ G - ( ./43 H ,DRM  B ( d,Bdt  m'n C - G B R8 Rs - ,A(m;2 B ( ITSM  I8  H J donde/ 0+R F tensión de pico repetitiva de blo!ueo directo. %L F corriente en la car"a. RL F resistencia de car"a. %S F corriente directa de pico no repetitiva. 0 &má5# F tensión de ánodo má5ima. O F coe$iciente de se"uridad de @,? a @,8#. " )allamos el valor de R mín !ue ase"ura la no superación de la d%1dt má5ima especi$icada a partir de la ecuación de descar"a de C#/

R m'n - ( ,A(m;2 B ( dI Bdt  H C K  C;lculo de 8F 8 - ,A(m;2 B ( dI B dt Mtodo de la resonancia" le"imos R, L ' C para entrar en resonancia. l valor de la $recuencia es/ f - (d0 1 dt # 1 :  0 & má5# n resonancia/ f - + B   (8CK    L C - + B ( f   8 



l valor de L es el !ue más nos interese, normalmente/ LF G@ ). l valor de R será/

Rs - (8 B CK

8IMITACI9)ES DE 8A TEMPERAT>RA" n los semiconductores de potencia, se producen pérdidas durante el $uncionamiento !ue se traducen en un calentamiento del dispositivo. Si los períodos de blo!ueo ' de conducción en un tiristor son repetitivos, la potencia media disipada en un tiristor será/

La potencia disipada en los tiristores durante la conducción, es muc(o ma'or !ue la disipada durante el blo!ueo ' !ue la potencia disipada en la unión puerta - cátodo. Podemos decir !ue las pérdidas con una tensión de alimentación dada ' una car"a $ija, aumentan con el án"ulo de conducción 7#. Si la conducción se inicia en t 8 ' termina en t :, la potencia media de perdidas será/

Si representamos la 0 &3 en $unción de la % &, tendremos la si"uiente relación/ ,AN - ,. O IA H R 0@ ' R son valores apro5imadamente constantes para una determinada $amilia de tiristores ' para una determinada temperatura de la unión. n éste caso nos encontraremos dentro de la zona directa de la curva característica Ei"ura 8:#.

Ei"ura 8:. Qperando con las ecuaciones anteriores/ PA, - ,. H IA(A, O R H ( IA(RMS sta ecuación se encuentra representada mediante curvas para distintas $ormas de onda sinusoidal, rectan"ular,...# ' para distintos án"ulos de conducción en la $i"ura si"uiente. La potencia !ue se disipa, depende del valor medio de la corriente ' del valor e$icaz, entonces dependerá del $actor de $orma/ a=f= IA(RMS)  B IA(AV)

Figura 13.

2na vez ele"ido el tiristor ' teniendo en cuenta los parámetros más importantes como son la potencia total disipada ' temperatura, ' calculada también la potencia media !ue disipa el elemento en el caso más des$avorable, procederemos a calcular el disipador o radiador más apropiado para poder evacuar el calor "enerado por el elemento semiconductor al medio ambiente. Circuitos de disparo por DIAC 

DIAC ste dispositivo puede tener corriente en cual!uier dirección. a# Circuito e!uivalente/ dos diodos de ? capas en paralelo c# si tiene la polaridad indicada como la del "ra$ico a# entonces el diodo iz!uierdo conduce, si 0 supera la tensión de cebado se cierra el de la iz!uierda. Si la polaridad de 0 es opuesta, el de la derec(a se cerrará.

Tipos de DIAC DIAC de tres capasF s similar a un transistor bipolar sin cone5ión de base ' con las re"iones de colector ' emisor  i"uales ' mu' dopadas. l dispositivo permanece blo!ueado (asta !ue se alcanza tensión de avalanc(a en la unión del colector. sto in'ecta corriente en la base !ue vuelve el transistor  conductor, produciéndose un e$ecto re"enerativo. &l ser un dispositivo simétrico, $unciona i"ual en ambas polaridades, intercambiando el emisor ' colector sus $unciones. DIAC de cuatro capasF Consiste en dos diodos S(ocA" n este caso la tensión de disparo proviene de una $uente de tensión continua aplicada al R%&C a través de una resistencia limitadora de la corriente de puerta. s necesario disponer  de un elemento interruptor en serie con la corriente de disparo encar"ado de la $unción de control, !ue puede ser un simple interruptor mecánico o un transistor trabajando en conmutación. ste sistema de disparo es el normalmente empleado en los circuitos electrónicos alimentados por tensiones continuas cu'a $unción sea la de control de una corriente a partir de una determinada seal de e5citación, !ue "eneralmente se ori"ina en un transductor de cual!uier tipo.

?.:

+%SP&RQ PQR CQRR%D &LRD&.

l disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un trans$ormador !ue suministre la tensión de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensión de la red con una resistencia limitadora de la corriente de puerta adecuada ' al">n elemento interruptor !ue entre"ue la e5citación a la puerta en el momento preciso.

Aplicaciones •

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Su versatilidad lo (ace ideal para el control de corrientes alternas.   2na de ellas es su utilización como interruptor estático o$reciendo muc(as ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales ' los relés.  Eunciona como interruptor electrónico ' también a pila.  Se utilizan R%&Cs de baja potencia en muc(as aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, ' en los sistemas de control computarizado de muc(os elementos caseros. Do obstante, cuando se utiliza con car"as inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para ase"urarse !ue el R%&C se apa"a correctamente al $inal de cada semiciclo de la onda de corriente alterna.

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