INGENIERA ELECTRNICA Asignatura: Electrnica de Potencia Prctica #1 Disparo con UJT Presentado Por: Garca Franco Ivn Antonio 08211317 Zonta Montes Moiss 08211343 Catedrtico: Ing. ngel Corral Domnguez

Tijuana, B.C., Marzo de 2012

ndice1. 2.

Objetivo ............................................................................................................ 2 Marco Terico................................................................................................... 3

2.1.

SCR............................................................................................................ 3 Funcionamiento ................................................................................... 4 Caractersticas..................................................................................... 6 Disparo por puerta ............................................................................... 6

2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2.

TRIAC ........................................................................................................ 7 Estructura ............................................................................................ 8 Curva Caracterstica .......................................................................... 10 Caractersticas................................................................................... 10 Disparo por corriente alterna ............................................................. 11

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.3.

UJT........................................................................................................... 11 Caractersticas................................................................................... 12

2.3.1. 3. 4.

Material y Equipo ............................................................................................ 14 Desarrollo de la Prctica................................................................................. 15 4.1. Disparo de SCR con UJT ......................................................................... 15

4.2. Disparo de TRIAC con UJT......................................................................... 20 5. 6. Conclusiones .................................................................................................. 24 Bibliografa...................................................................................................... 25

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1. Objetivo Comprender el funcionamiento de circuitos de control de energa elctrica con SCR y TRIAC usando activacin por medio de UJT (Transistor de Unin nica o tambin conocido como Transistor Monounin).

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2. Marco Terico En el siguiente apartado se explicarn los conceptos necesarios para la realizacin de la prctica. 2.1. SCR El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposicin pnpn (Figura 2.2). Est formado por tres terminales, llamados nodo, Ctodo y Puerta. La conduccin entre nodo y ctodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es nico), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Figura 2.1. Smbolo del SCR

Figura 2.2. Estructura bsica del SCR

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2.1.1. Funcionamiento Un SCR acta a semejanza de un interruptor. Cuando esta encendido (ON), hay una trayectoria de flujo de corriente de baja resistencia del nodo al ctodo. Acta entonces como un interruptor cerrado. Cuando esta apagado (OFF), no puede haber flujo de corriente del nodo al ctodo. Por tanto, acta como un interruptor abierto. Dado que es un dispositivo de estado s1ido, la accin de conmutacin de un SCR es muy rpida. El flujo de corriente promedio para una carga puede ser controlado colocando un SCR en serie con la carga. Este arreglo es presentado en la Figura 3. La alimentaci6n de voltaje es comnmente una fuente de 60-Hz de CA, pero puede ser de cd en circuitos especiales. Si la alimentacin de voltaje es de CA, el SCR pasa una cierta parte del tiempo del ciclo de CA en el estado ON, y el resto del tiempo en el estado OFF. Para una fuente de 60-Hz de CA, el tiempo del ciclo es de 16.67 ms. Son estos 16.67 ms los que se dividen entre el tiempo que esta en ON y el tiempo que esta en OFF. La cantidad de tiempo que esta en cada estado es controlado por el disparador. Si una porcin pequea del tiempo esta en el estado ON, la corriente promedio que pasa a la carga es pequea. Esto es porque la corriente puede fluir de la fuente, a travs del SCR, y a la carga, slo por una porcin relativamente pequea del tiempo. Si la seal de la compuerta es cambiada para hacer que el SCR este en ON por un periodo mas largo del tiempo, entonces la corriente de carga promedio ser mayor. Esto es porque la corriente ahora puede fluir de la fuente, a travs del SCR, y a la carga, por un tiempo relativamente mayor. De esta manera, la corriente para la carga puede variarse ajustando la porcin del tiempo del ciclo que el SCR permanece encendido.

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Figura 2.3. Relacin de circuito entre la fuente de voltaje, un SCR y la carga

Como lo sugiere su nombre, el SCR es un rectificador, por lo que pasa corriente slo durante los semiciclos positivos de la fuente de CA. El semiciclo positivo es el semiciclo en que el nodo del SCR es mas positivo que el ctodo. Esto significa que el SCR de la Figura 2.3 no puede estar encendido ms de la mitad del tiempo. Durante la otra mitad del ciclo, la polaridad de la fuente es negativa, y esta polaridad negativa hace que el SCR tenga polarizacin inversa, evitando el paso de cualquier corriente a la carga. En la Figura 2.4 se muestra la curva caracterstica de un SCR que depende entre el voltaje de conmutacin y la corriente de compuerta. Cuando el SCR est polarizado en inversa se comporta como un diodo comn (ver la corriente de fuga caracterstica que se muestra en el grfico). En la regin de polarizacin en directo el SCR se comporta tambin como un diodo comn, siempre que el SCR ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (ver punto C), el voltaje de nodo a ctodo es menor (VC).

Figura 2.4. Curva caracterstica de un SCR

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Si la IG disminuye, el voltaje nodo-ctodo aumenta. (Ver el punto B y A, y el voltaje nodo-ctodo VB y VA). Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, el voltaje nodo-ctodo tender a aumentar antes de que el SCR conduzca (se ponga en On / est activo).

2.1.2. Caractersticas El SCR cuenta con las siguientes caractersticas generales Interruptor casi ideal. Soporta tensiones altas. Amplificador eficaz. Es capaz de controlar grandes potencias. Fcil controlabilidad. Relativa rapidez. Caractersticas en funcin de situaciones pasadas (memoria).

2.1.3. Disparo por puerta Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicacin en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y ctodo a la vez que mantenemos una tensin positiva entre nodo y ctodo.

Figura 2.5. Circuito de control por puerta de un SCR.

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El

valor

requerido

de

VT

necesario

para

disparar

el

SCR

es:

VT = VG + IG R R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de mxima disipacin de potencia para obtener la mxima seguridad en el disparo (Figura 2.6). R = VFG / IFG

Figura 2.6. Recta tangente a la curva de mxima disipacin de potencia.

2.2.

TRIAC El TRIAC (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor

de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversin de la tensin o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarizacin de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

Figura 2.7. Smbolo del TRIAC.

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En la Figura 2.7 se muestra el smbolo esquemtico e identificacin de las terminales de un TRIAC, la nomenclatura nodo 2 (A2) y nodo 1 (A1) pueden ser remplazados por Terminal Principal 2 (T2) y Terminal Principal 1 (T1) respectivamente.

2.2.1. Estructura La estructura contiene seis capas como se indica en la figura 2.8, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. En sentido T2-T1 conduce a travs de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 a travs de P2N1P1N4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicacin de su estructura lo hace ms delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades. Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos 200 (A) eficaces y desde 400 a 1000 (V) de tensin de pico repetitivo. Los TRIAC son fabricados para funcionar a frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores.

Figura 2.8. Estructura bsica del TRIAC.

El TRIAC acta como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Figura 2.9, este dispositivo es equivalente a dos "latchs" (transistores 8

conectados con realimentacin positiva, donde la seal de retorno aumenta el efecto de la seal de entrada).

Figura 2.9. Equivalencia de un TRIAC con SCR

La diferencia ms importante que se encuentra entre el funcionamiento de un TRIAC y el de dos tiristores es que en este ltimo caso cada uno de los dispositivos conducir durante medio ciclo si se le dispara adecuadamente, bloquendose cuando la corriente cambia de polaridad, dando como resultado una conduccin completa de la corriente alterna. El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el breve instante en que la corriente de carga pasa por el valor cero, hasta que se alcanza el valor mnimo de tensin entre T2 y T1, para volver de nuevo a conducir, suponiendo que la excitacin de la puerta sea la adecuada. Esto implica la perdida de un pequeo ngulo de conduccin, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente esta en fase con la tensin, no supone ningn problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener en cuenta, en el diseo del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situacin de la tensin aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensin entre los dos terminales del componente.

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2.2.2. Curva Caracterstica

Figura 2.10. Curva caracterstica del TRIAC

La Figura 2.10 describe la caracterstica tensin corriente del TRIAC. Muestra la corriente a travs del TRIAC como una funcin de la tensin entre los nodos MT y MT . El punto V2 1 BD

(tensin de ruptura) es el punto por el cual el

dispositivo pasa de una resistencia alta a una resistencia baja y la corriente, a travs del TRIAC, crece con un pequeo cambio en la tensin entre los nodos. El TRIAC permanece en estado ON hasta que la corriente disminuye por de bajo de la corriente de mantenimiento IH. Esto se realiza por medio de la disminucin de la tensin de la fuente. Una vez que el TRIAC entra en conduccin, la compuerta no controla ms la conduccin, por esta razn se acostumbra dar un pulso de corriente corto y de esta manera se impide la disipacin de energa sobrante en la compuerta. El mismo proceso ocurre con respecto al tercer cuadrante, cuando la tensin en el nodo MT2 es negativa con respecto al nodo MT1 y obtenemos la caracterstica invertida. Por esto es un componente simtrico en cuanto a conduccin y estado de bloqueo se refiere, pues la caracterstica en el cuadrante I de la curva es igual a la del III. 2.2.3. Caractersticas Resumiendo, algunas caractersticas de los TRIACS:

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El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conduccin cuando se inyecta corriente a la compuerta. Despus del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente andica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retencin I h.

La corriente y la tensin de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensin de bloqueo.

2.2.4. Disparo por corriente alterna El disparo por corriente alterna se puede realizar mediante el empleo de un transformador que suministre la tensin de disparo, o bien directamente a partir de la propia tensin de la red con una resistencia limitadora de la corriente de puerta adecuada y algn elemento interruptor que entregue la excitacin a la puerta en el momento preciso.

Figura 2.11. Circuito de disparo por corriente alterna

2.3.

UJT El transistor UJT (transistor de unijuntura - Unijunction transistor) es un

dispositivo con un funcionamiento diferente al de otros transistores. Es un dispositivo de disparo que consiste de una sola unin PN Fsicamente el UJT (Figura 2.12) consiste de una barra de material tipo N con conexiones elctricas a sus dos extremos (B1 y B2) y de una conexin hecha con un conductor de aluminio (E) en alguna parte a lo largo de la barra de material N.

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Figura 2.12. Estructura bsica del UJT

En el lugar de unin el aluminio crea una regin

tipo P en la barra,

formando as una unin PN. En la se muestra el smbolo del UJT.

Figura 2.13. Smbolo del UJT

El disparo ocurre entre el Emisor y la Base1 y el voltaje al que ocurre este disparo est dado por la frmula: Voltaje de disparo = Vp = 0.7 + n * V B2B1 Donde: - n = intrinsic standoff radio (dato del fabricante) - VB2B1 = Voltaje entre las dos bases La frmula es aproximada porque el valor establecido en 0.7 puede variar de 0.4 a 0.7 dependiendo del dispositivo y la temperatura.

2.3.1. Caractersticas Fijndose en la curva caracterstica del UJT se puede notar que cuando el voltaje sobrepasa un valor de ruptura, el UJT presenta un fenmeno de modulacin de resistencia que, al aumentar la corriente que pasa por el 12

dispositivo, la resistencia de esta baja y por ello, tambin baja el voltaje en el dispositivo, esta regin se llama regin de resistencia negativa, este es un proceso realimentado positivamente, por lo que esta regin no es estable, lo que lo hace excelente para conmutar, para circuitos de disparo de tiristores y en osciladores de relajacin.

Figura 2.14. Curva caracterstica

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3. Material y Equipo Osciloscopio Puntas de prueba con atenuacin Multmetro Carga de potencia de 195 UJT 2N4626 TRIAC 2N6344A SCR TIC126 Diodo Zener Transformador de 1:1 Potencimetro de 100k y 20k Capacitores de 58nF y 2.2F Resistencias de 100, 1k y 2.2k Puente de diodos

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4. Desarrollo de la Prctica En este apartado se describirn los pasos realizados para la realizacin de los circuitos de disparo de SCR y TRIAC con UJT. 4.1. Disparo de SCR con UJT La primera parte de la prctica consiste el disparo de un SCR utilizando un UJT para controlar el ngulo de disparo. El rango de trabajo del SCR va desde 0 hasta cerca de los 180. Esto es debido al circuito de disparo con UJT, ya que el SCR en condiciones normales solo tiene un rango de trabajo hasta los 90. El circuito utilizado para la prctica se muestra en la Figura 4.1.

Figura 4.1. Circuito de disparo con UJT para SCR

El ngulo de disparo del SCR esta dado por el tiempo de carga (tau), el cual depende del arreglo RC del UJT en donde =RC. El tiempo de carga para una resistencia de 33.75k y un capacitor de 58nF, es de aproximadamente 1.95ms, el cual fue medido en el osciloscopio para comprobar el correcto funcionamiento del circuito. La Figura 4.2 muestra la medicin realizada para este caso, el cual arroj como medicin 1.9ms de tiempo de carga, el cual es bastante similar al calculado.

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Figura 4.2. Medicin de constante de carga

El voltaje encontrado en el diodo Zener esta dado por su valor de polarizacin inversa, en este caso es de 24V, el cual fue medido en el osciloscopio como se muestra en la Figura 4.3. Ya que la seal que maneja el Zener es de CA, este solo trabajara en los semiciclos positivos obteniendo una seal de la misma frecuencia que la de CA.

Figura 4.3. Voltaje en diodo Zener

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El funcionamiento del circuito es sencillo: la seal llega al Zener, el cual corta la seal en el valor nominal de polarizacin inversa, de ah, el voltaje llega al arreglo RC del UJT, el cual dependiendo del valor de la resistencia variable, cambiar el tiempo de carga del capacitor. Una vez que el capacitor llegue a un valor Vp (el cual activa la compuerta del UJT), en este caso de aproximadamente 22V, la compuerta del UJT se activa, enviando un pulso a travs de la resistencia de la B2 del UJT, disparando al SCR, el cual limitar la potencia entregada a la carga. En las siguientes figuras se muestran diferentes ngulos de disparo, conforme va aumentando el valor de la resistencia variable, aumenta el ngulo de disparo, limitando la potencia entrega en la carga. Para la primera medicin el valor de la resistencia es de 108. Este es el valor mnimo permitido para esta prctica, ya que se agreg una resistencia de proteccin al circuito. La resistencia variable es 50k.

Figura 4.4. Disparo mnimo

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 13.2k. Como se mencion, el ngulo aumenta conforme aumenta la resistencia

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Figura 4.5. Disparo a 30

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 27.59k.

Figura 4.6. Disparo a 65

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 47.2k.

Figura 4.7. Disparo a 90

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Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 69.8k.

Figura 4.8. Disparo a 125

Para la ltima medicin el valor de la resistencia es de 97k. Adems este es considerado el mximo ngulo de disparo para el circuito.

Figura 4.9. Disparo a 176

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4.2. Disparo de TRIAC con UJT La siguiente parte de la prctica consiste el disparo de un TRIAC utilizando un UJT para controlar el ngulo de disparo.. La gran diferencia es que el TRIAC tiene la posibilidad de trabajar en ambos semiciclos de la seal. El circuito utilizado para la prctica se muestra en la Figura 4.10.R1 144 R2 2.2k R3 24k R4 1k X3 VOFF = 0 VAMPL = 169 FREQ = 60 V1 BAW101 2 D1 1N5255 1 C1 510n 2N2646

TX1

X4 MAC224A8

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Figura 4.10. Circuito de disparo con UJT para SCR

En este caso ya que es necesario que el TRIAC trabaje en ambos semiciclos de la seal de CA, se le agreg al circuito un puente rectificador de diodos para que el circuito de disparo del UJT trabaje en ambos semiciclos. Gracias a esto, el capacitor puede cargarse tanto el tiempo positivo como en el negativo, as disparando al TRIAC de la forma requerida. En este caso el TRIAC es disparado por medio de un transformador de aislamiento como se mencion en el marco terico. Las mediciones realizadas para esta parte de la prctica consisten en la medicin de la carga, el TRIAC y la carga del capacitor. Conforme aumenta la resistencia variable aumenta el ngulo de disparo, por ende disminuye la potencia entregada a la carga. En este caso el ngulo de disparo fue desde 15 hasta 170. 20

En las siguientes figuras se observa el cambio del ngulo de disparo, as como el tiempo de carga en el capacitor y la potencia entregada a la carga. Para la primera medicin el valor de la resistencia es de 105. Este es el valor mnimo permitido para esta prctica, ya que se agreg una resistencia de proteccin al circuito. La resistencia variable es 20k.

Figura 4.11. Disparo a 15

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 629.

Figura 4.12. Disparo a 50

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 1.16k.

Figura 4.13. Disparo a 75

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Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 2.67k.

Figura 4.14. Disparo a 90

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 4.39k.

Figura 4.15. Disparo a 118

Para la siguiente medicin el valor de la resistencia es de 9.28k.

Figura 4.16. Disparo a 150

La ltima medicin el valor de la resistencia es de 20k, y es el mayor ngulo de disparo posible ya que el resistor ya no puede aumentar ms.

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Figura 4.17. Disparo a 176

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5. Conclusiones Despus de realizar la prctica fue posible comprobar los conceptos aprendidos en clase sobre circuitos de disparo de UJT y su til aplicacin para disparar SCR y TRIAC para controlar la cantidad de potencia que recibe una carga de CA. Se observo y comprob el funcionamiento del SCR y el TRIAC y se comprendieron las diferencias entre cada uno de ellos y como manipular el ngulo de disparo a nuestra conveniencia dependiendo de la aplicacin

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6. Bibliografa [1] Proton. (2012, Marzo) Teoria y operacion de los http://proton.ucting.udg.mx/temas/circuitos/omar/Omar.htm SCR. [Online]. [Online]. [Online]. [Online]. [Online]. [Online]. [Online].

[2] Inele. (2012, Marzo) SCR. http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pag_scr/pag_scr.htm [3] Unicrom. (2012, Marzo) SCR. http://www.unicrom.com/Tut_scr_curva_caracteristica.asp [4] Alvaro Ortiz Gerardo. (2012, http://esimerobotica.tripod.com/Triacs.pdf Marzo) TRIAC.

[5] Inele. (2012, Marzo) TRIAC. http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pag_triac/triac.htm [6] Unicrom. (2012, Marzo) http://www.unicrom.com/Tut_transistor_ujt.asp [7] Wikipedia. (2012, Marzo) Transistor http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_uniunin UJT. uniunion.

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