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UNIVERSIDAD EL BOSQUE CENTRO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Asignatura: Electrónica de Potencia Semestre IX

Nombre de la práctica: Rectificadores Controlados

Autores: Leverson Beltrán Castro, Gabriela Morales Díaz y María Camila Parra Aldana

Objetivos:

General

Diseñar y analizar las características de funcionamiento de los dispositivos SCR. Específicos

1. Identificar las características de funcionamiento de los SCR de su ficha técnica.

2. De acuerdo con la frecuencia de la señal rectificada determinar el tiempo de disparo

de un SCR.

3. Calcular voltajes promedio y efectivos en la carga según el ángulo de disparo.

4. Analizar la respuesta de la transformada rápida de Fourier.

Marco Teórico

Rectificador controlado: En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o parcialmente, a los diodos por

tiristores, de forma que se pueda obtener un sistema de rectificación controlada o

semicontrolada. Estos sistemas permitirán la regulación del valor medio de la tensión en la

carga. La sustitución del diodo por el tiristor permite retardar la entrada en conducción del

mismo, lo cual ocurre no sólo cuando la tensión entre sus bornes es positiva, sino cuando,

siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor.

Los rectificadores con tiristores utilizan los mismos esquemas que los rectificadores con

diodos, si bien aquí hay que distinguir entre dos tipos:

A. Rectificadores semicontrolados: Formados por tiristores y diodos.

B. Rectificadores totalmente controlados: Formados únicamente por tiristores.

El principio de funcionamiento consiste en disparar los tiristores con un cierto ángulo

respecto del punto de conmutación natural o paso por cero de la señal de entrada. Con ello

se consigue aplicar la tensión de la fuente sobre la carga un tiempo variable, que depende

del momento del disparo y por tanto se conseguirá variar los valores medios y eficaces de

la tensión en la carga. Dependiendo del tipo de carga, se deberá analizar el tipo de impulso

de cebado del tiristor. Para las cargas con componente inductiva, la corriente en la carga,

y por tanto en el tiristor, no variará bruscamente, con lo que se tardará un cierto tiempo en

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alcanzar la corriente de enclavamiento del tiristor. Así se deberá mantener la excitación de

puerta hasta que el tiristor alcance la plena conducción. En esta circunstancia será más

adecuado el uso de un tren de impulsos de larga duración, evitando pérdidas en el tiristor.

(Valencia)

SCR: El SCR (Rectificador controlado de silicio/Silicon Controlled Rectifier) es un dispositivo

semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.

Figura 1. Símbolo y Estructura SCR.

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, este proceso regenerativo se repite

hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

Figura 2. Corriente del transistor.

El SCR escogido es BT169

Los parámetros del BT169 son:

● VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)

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Figura 3. Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0) (VRDM)

● VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)

Figura 4. Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0) (VFOM)

● IF: Máxima corriente directa permitida.

Figura 5. Máxima corriente directa permitida. (IF)

● PGM: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.

Figura 6. Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.(PG)

● VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado

Figura 7. Máximo voltaje requerido en la compuerta (G) para el cebado. (VGT)

● IGT: Máxima corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado

Figura 8. Máxima corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado. (IGT)

● IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR

Figura 9. Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR. (IH)

● dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.

Figura 10. Máxima variación de voltaje sin producir cebado.(dv/dt)

● di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.

Figura 11. Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR. (di/dt)

● Ángulos de disparo:

https://unicrom.com/potencia-y-energia/

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Figura 12. Ángulos de disparo

● Tiempo de disparo

Figura 13. Tiempo de disparo.

Esquemas, cálculos, simulación y análisis de datos

Esquemas:

● Diagrama Circuital para el paso por cero, con activación 6 milisegundos.

Figura 14. Diagrama circuital para el paso por cero, con activación de 6 milisegundos.

● Rectificador controlado de media onda:

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Figura 15. Diagrama circuital del rectificador controlado de media onda con disparo digital.

Figura 16. Diagrama circuital del rectificador controlado de media onda con disparo análogo.

● Rectificador controlado de onda completa:

6

Figura 17. Diagrama circuital del rectificador controlado de onda completa con disparo digital.

Figura 18. Diagrama circuital del rectificador controlado de onda completa con disparo análogo.

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Simulaciones:

● Paso por cero:

Figura 19. Simulación del paso por cero, con activación de 6 milisegundos realizada en Multisim.

● Rectificador de media onda con disparo digital:

Figura 20. Simulación del rectificador controlado de media onda con ángulo de disparo de 30° realizado en

Proteus

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Figura 21. Simulación en frecuencia (análisis de Fourier) del rectificador controlado de media onda con

ángulo de disparo de 30°realizado en proteus.

Figura 22. Simulación del rectificador controlado de media onda con ángulo de disparo de 120° realizado en

Proteus.

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● Rectificador de media onda con disparo análogo:

Figura 24. Simulación del rectificador análogo de media onda con ángulos de disparo de 30° realizado en

Multisim.

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ángulo de disparo de 30°realizado en Multisim.

Figura 26. Simulación del rectificador análogo de media onda con ángulos de disparo de 120° realizado en

Multisim.

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● Rectificador de onda completa digital:

Figura 28. Simulación del rectificador controlado de onda completa con ángulo de disparo de 60° realizado en

Proteus.

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Figura 29. Simulación en frecuencia (análisis de Fourier) del rectificador controlado de onda completa con


Figura 30. Simulación del rectificador controlado de onda completa con ángulo de disparo de 120° realizado

en Proteus.

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● Rectificador de onda completa con disparo análogo:

Figura 32. Simulación del rectificador controlado de onda completa con ángulo de disparo de 60°

realizado en Multisim.

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ángulo de disparo de 120°realizado en Multisim

Figura 34. Simulación del rectificador controlado de onda completa con ángulo de disparo de 60° realizado en

Multisim.

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Cálculos y análisis de datos:


𝑉𝑅𝑀𝑆 = 120𝑉

𝑅 = 47𝛺

𝑉𝑚 = 120 ∗ √2

𝑉𝑚 = 170𝑉

❖ Para un ángulo de disparo de 30°:

30° =𝜋 ∗ 30°

180°

16

30° =1

6𝜋

❖ Voltaje promedio:

𝑉𝐷𝐶 = ∫𝜋

𝛼

𝑉𝑚𝑆𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡

𝑉𝐷𝐶 =𝑉𝑚

2𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠𝛼)

𝑉𝐷𝐶 =170

2𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠

1

6𝜋)

𝑉𝐷𝐶 = 50.487 𝑉

❖ Voltaje efectivo:

𝑉𝑅𝑀𝑆 = √1

2𝜋∫ 𝑉𝑚

2𝑆𝑒𝑛2𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡𝛼

𝜋

𝑉𝑅𝑀𝑆 = √𝑉𝑚

2

2𝜋(

𝜔𝑡

2−

𝑆𝑒𝑛2𝜔𝑡

4)

𝛼

𝜋

𝑉𝑅𝑀𝑆 =V𝑚

2√(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

4)

𝑉𝑅𝑀𝑆 =170

2√(1 −

16

𝜋

𝜋+

𝑆𝑒𝑛216

𝜋

4)

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 87.092𝑉

❖ Corriente efectiva:

𝐼𝑅𝑀𝑆 =VRMS

𝑅

𝐼𝑅𝑀𝑆 =87.092

47

𝐼𝑅𝑀𝑆 = 1.853𝐴

𝑃 =𝑉𝑅𝑀𝑆

2

𝑅

𝑃 =87.0922

47

𝑃 = 161𝑊

𝑆 = 𝐼𝑅𝑀𝑆 ∗ 120

17

𝑆 = 1.853 ∗ 120 = 222.36(𝑉𝐴)

❖ Factor de Potencia:

𝐹𝑃 =𝑃

𝑆=

161

222.36= 0.724

● Cálculos de los coeficientes de Fourier para un ángulo de disparo de 30°:

Ecuación para el componente an de la serie de Fourier:

Ecuación para el componente bn de la serie de Fourier:

Ecuación para el componente Cn de la serie de Fourier:

De acuerdo con las ecuaciones para el cálculo de los coeficientes de Fourier, se realiza

una tabla con los primeros 5 valores (n) con un ángulo de disparo de 30°, para calcular el

valor de voltaje RMS y eL porcentaje de THD:

CÁLCULO DE LOS COMPONENTES DE FOURIER

Valor n Componente ‘a’ Componente ‘b’ Componente ‘c’ (Teórico)

Ángulo de disparo

0 50,49 30°

2 -82,79 -45,02 94,24 30°

4 -16,56 1,80 16,66 30°

6 -0,41 9,26 9,27 30°

Tabla 1. Cálculo de cuatro componentes de Fourier para un ángulo de disparo de 30°.

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El componente a0 de los coeficientes de Fourier indica el valor DC del voltaje en la carga,

ya que esta amplitud es el componente principal con una frecuencia de 0Hz. De igual

forma, el componente Cn identifica la máxima amplitud para cada una de la frecuencia en

cada uno de los armónicos, esta frecuencia depende del índice n (par o impar) de la

función. Como los coeficientes de Fourier tienen comportamiento par para el voltaje, los

índices de n deben ser pares, por consiguiente, las amplitudes máximas se destacan para

las frecuencias múltiplos pares de la frecuencia central 60Hz.

La tabla 1, se observa que el valor de voltaje DC es de 50.49V, mientras que la raíz de la

sumatoria de cada uno de los componentes Cn elevados al cuadrado equivale

aproximadamente al valor Rms del voltaje;

𝑉𝑅𝑀𝑆 = √50.492 + 94.242+16.662 + 9.272 = 108.6 𝑉𝑟𝑚𝑠

Por otro lado, el cálculo de la distorsión armónica para el circuito es:

𝑇𝐻𝐷 = (√𝑉𝑟𝑚𝑠(1)2 − 𝑉12)/𝑉1 ∗ 100% = 1.78%


○ 120° =𝜋∗120°

180°

○ 120° =2

3𝜋


𝑉𝐷𝐶 = ∫𝜋

𝛼

𝑉𝑚𝑆𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡


2𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠𝛼)

𝑉𝐷𝐶 =170

2𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠

2

3𝜋)

𝑉𝐷𝐶 = 13.52 𝑉



2𝜋∫ 𝑉𝑚

2𝑆𝑒𝑛2𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡𝜋

∝


2

𝜋(

𝜔𝑡

2−


4)

𝛼

𝜋


2

𝜋(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

4)

19

𝑉𝑅𝑀𝑆 =𝑉𝑚

2√(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

4)


2√(1 −

23

𝜋

𝜋+

𝑆𝑒𝑛223

𝜋

4)

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 29.05𝑉

❖ Corriente efectiva:

𝐼𝑅𝑀𝑆 =𝑉𝑅𝑀𝑆

𝑅

𝐼𝑅𝑀𝑆 =29.05

47

𝐼𝑅𝑀𝑆 = 0.618𝐴


2

𝑅

𝑃 =29.052

47

𝑃 = 17.955𝑊

𝑆 = 0.618 ∗ 120 = 74.16(𝑉𝐴)


𝐹𝑃 =𝑃

𝑆=

17.955

74.16= 0.24

● Cálculos de los coeficientes de Fourier para un ángulo de disparo de 120°:



valor de voltaje RMS y el porcentaje de THD:


Valor n Componente ‘a’ Componente ‘b’ Componente ‘c’ Ángulo de disparo

0 13,53 120°

2 9,00 15,59 18,01 120°

4 -30,61 15,59 34,35 120°

20

6 -1,54 -16,04 16,11 120°


La tabla 2, se observa que el valor de voltaje DC es de 13,53V, equivalente al primer

componente a0, mientras que la raíz de la sumatoria de cada uno de los componentes Cn

elevados al cuadrado equivale aproximadamente al valor Rms del voltaje;

𝑉𝑅𝑀𝑆 = √13.532 + 34.352+16.112 + 18.012 = 44.12 𝑉𝑟𝑚𝑠 Por otro lado, el cálculo de la distorsión armónica para el circuito es:

𝑇𝐻𝐷 = (√𝑉𝑟𝑚𝑠(1)2 − 𝑉12)/𝑉1 ∗ 100% = 16.84%




𝑉𝐷𝐶 =1

𝜋∫ 𝑉𝑚𝑆𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡

𝜋

𝛼


𝜋(−𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡)


𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠𝛼)

𝑉𝐷𝐶 =170

𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠

𝜋

3)

𝑉𝐷𝐶 = 81.169 𝑉



𝜋∫ 𝑉𝑚


𝜋


2

𝜋(

𝜔𝑡

2−


4)


2

𝜋(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

2𝜋)

𝑉𝑅𝑀𝑆 =𝑉𝑚

√2√(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

2𝜋)

21


√2√(1 −

𝜋3𝜋

+𝑆𝑒𝑛2

𝜋3

2𝜋)

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 107.819𝑉


𝑅

𝐼𝑅𝑀𝑆 =107.819

47

𝐼𝑅𝑀𝑆 = 2.29 𝐴


2

𝑅


2

𝑅

𝑃 = 247.34 𝑊

𝑆 = 2.29 ∗ 120 = 274.8(𝑉𝐴)


𝐹𝑃 =𝑃

𝑆=

247.34

274.8= 0.9






0 81,17 60°

2 -81,03 15,59 82,52 60°

4 16,21 15,59 22,49 60°

6 -4,63 -16,04 16,69 60°


La tabla 3, se observa que el valor de voltaje DC es de 81.17 V, equivalente al primer


22


𝑉𝑅𝑀𝑆 = √81.172 + 82.522+22.492 + 16.692 = 119.09 𝑉𝑟𝑚𝑠


𝑇𝐻𝐷 = (√𝑉𝑟𝑚𝑠(1)2 − 𝑉12)/𝑉1 ∗ 100% = 2.41%



𝑉𝐷𝐶 =1

𝜋∫ 𝑉𝑚𝑆𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡

𝜋

𝛼


𝜋(−𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡)

𝑉𝐷𝐶 =170

𝜋(1 + 𝐶𝑜𝑠

23

𝜋)

𝑉𝐷𝐶 = 27.05𝑉



𝜋∫ 𝑉𝑚


𝜋


2

𝜋(

𝜔𝑡

2−


4)


2

𝜋(1 −

𝛼

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2𝛼

2𝜋)


√2√(1 −

23

𝜋

𝜋+

𝑆𝑒𝑛2 ∗23

𝜋

2𝜋)

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 53.15𝑉


𝑅

𝐼𝑅𝑀𝑆 =53.15

47

𝐼𝑅𝑀𝑆 = 1.130𝐴

23


2

𝑅


2

𝑅

𝑃 = 60.1𝑊

𝑆 = 1.130 ∗ 120 = 135.7(𝑉𝐴)


𝐹𝑃 =𝑃

𝑆=

60.1

135.7= 0.44






0 27,06 120°

2 9,00 15,59 18,01 120°

4 -30,61 15,59 34,35 120°

6 -1,54 -16,04 16,11 120°


La tabla 4, se observa que el valor de voltaje DC es de 27.06 V, equivalente al primer



𝑉𝑅𝑀𝑆 = √27.062 + 18.012+34.352 + 16.112 = 49.96 𝑉𝑟𝑚𝑠


𝑇𝐻𝐷 = (√𝑉𝑟𝑚𝑠(1)2 − 𝑉12)/𝑉1 ∗ 100% = 11.67%

Tablas comparativas


Rectificador controlado de media onda con 30°

24

Teórico Simulación digital

Simulación análogo

%Error

Voltaje Promedio

50.487 V 53.7 V 43 V 6.36%

Voltaje Efectivo

87.092 V 80.8 V 64 V 4.25%

Corriente RMS 1.853 A 2 A 1.36 A 7.93%

Potencia 161 W 170 W 87.14 W 5.59%

FP 0.724 0.764 0.526 5.52%

Tabla 5. Valores de comparación de los parámetros eléctricos de salida en la carga para un rectificador

controlado de media onda con un ángulo de disparo de 30°.

Rectificador controlado de media onda con 120°



%Error

Voltaje Promedio

13.52 V 15.53 V 10.7 V 14.86%

Voltaje Efectivo

29.05 V 32.6 V 30 V 12.22%

Corriente RMS 0.618 A 0.716 A 0.63 A 15.85%

Potencia 17.955 W 20.1 W 19.14 W 11.94%

FP 0.24 0.28 0.254 16.66


controlado de media onda con un ángulo de disparo de 120°.


Rectificador controlado de onda completa con 60°



%Error

Voltaje Promedio

81.169 V 83 V 52 V 2.25%

Voltaje Efectivo

107.819 V 109 V 62 V 1.09%

Corriente 2.29 A 2.16 A 1.31 A 5.67%

25

Potencia 247.34 W 216 W 81.78 W 12.67%

FP 0.9 0.87 0.61 3.33%


controlado de onda completa con un ángulo de disparo de 60°.

Rectificador controlado de onda completa con 120°



%Error

Voltaje Promedio

27.05 V 29.8 V 15.2 V 10.16%

Voltaje Efectivo

53.15 V 54 V 34.3 V 1.59%

Corriente 1.130 A 1 A 0.73 A 11.50%

Potencia 60.1 W 57.7 W 25 W 3.99%

FP 0.44 0.51 0.17 15.9%


controlado de onda completa con un ángulo de disparo de 120°.

Conclusiones

Se comporta como un diodo rectificador, sin embargo, para su activación es necesario

aplicar una mínima corriente en su compuerta (Gate). Esta corriente está indicada en los

parámetros técnicos de los SCR. La corriente aplicada en la compuerta se controla

mediante un tiempo de disparo, el cual define el ángulo de accionamiento del SCR.

En los rectificadores de media onda y de onda completa, cuando el SCR se dispara con un

ángulo ubicado en el segundo cuadrante, por ejemplo 120°, la potencia sobre la carga es

menor que cuando se dispara a un ángulo más pequeño (primer cuadrante). Con el cambio

de ángulo de disparo se puede controlar la potencia sobre la carga.

De igual forma, cuando el SCR se dispara con un ángulo en el segundo cuadrante (120°

por ejemplo) la distorsión armónica aumenta, lo que puede causar disparos automáticos o

distorsión en la salida del SCR, al igual que calentamiento de los componentes.

El ángulo de disparo es inversamente proporcional al factor de potencia, a medida que este

aumenta, el factor de potencia disminuye.

El componente a0 de los coeficientes de Fourier indica el valor DC del voltaje en la carga,

ya que esta amplitud es el componente principal con una frecuencia de 0 Hz. De igual forma,

el componente Cn identifica la máxima amplitud para cada una de las frecuencias en cada

uno de los armónicos, esta frecuencia depende del índice n (par o impar) de la función.

26

Como los coeficientes de Fourier tienen comportamiento par para el voltaje, los índices de

n deben ser pares, por consiguiente, las amplitudes máximas se destacan para las

frecuencias múltiplos pares de la frecuencia central 60Hz.

Anexos

Bibliografía

[1]. Valencia, U. d. (s.f.). Microsoft Word - IEP6-0506. Obtenido de Microsoft Word - IEP6-0506: https://www.uv.es/emaset/iep00/IEP6-0607.pdf

[2]. Electrónica Unicrom, U. d. (s.f.). Obtenido de ELECTRÓNICA PARA EL AFICIONADO Y EL EXPERTO:https://unicrom.com/scr-silicon-controled-rectifier/

[3]. Datasheet SCR: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/86538/PHILIPS/BT169B.html

https://www.uv.es/emaset/iep00/IEP6-0607.pdf

https://unicrom.com/scr-silicon-controled-rectifier/

https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/86538/PHILIPS/BT169B.html

https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/86538/PHILIPS/BT169B.html

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