REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA: CIENCIAS DE LA SALUD

PROGRAMA DE INGENIERA BIOMÉDICA AULA MOVIL MARACAY EDO – ARAGUA

[ELE-544] ELECTRÓNICA I

C O N C E P T O S & P R Á C T I C A S D E L A B O R A T O R I O

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)

INVESTIGADORES

Acosta, Neil Leonardo A. CI: 13.953.856

Solano, Rafael CI: 9.687.711

González, José CI: 19.004.492

FACILITADOR

Prof. Francisco Fuentes

Maracay, 18 de Junio de 2015

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ÍNDICE GENERAL

CONTENIDO PÁGINA

INTRODUCCIÓN 3

RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) 4

a. TEORÍA Y OPERACIÓN 4

b. FORMAS DE ONDA EN EL SCR 5

c. CARACTERÍSTICAS DE PUERTA 6

d. CIRCUITOS TÍPICOS DE CONTROL DE PUERTA 7

e. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE CONEXIÓN DE LOS SCR A LA

CARGA 7

f. CIRCUITOS PUENTE CON SCR 8

g. LOS SCR EN CIRCUITOS DC 8

CARGADOR DE BATERÍA CON DESCONEXIÓN AUTOMÁTICA 9

CONCLUSIONES 12

REFERENCIAS 13

ANEXOS 14

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INTRODUCCIÓN

La presente práctica de laboratorio consiste en el estudio del Rectificador Controlado

de Silicio (SCR) y el montaje de un circuito Cargador de Batería con Desconexión

Automática. En primer lugar se definirán algunos conceptos que son de vital importancia

para comprender como funciona el Rectificador Controlado de Silicio (SCR), luego se

estudiara en qué consiste el circuito, sus aplicaciones, la lista de componentes que se

requieren, su diagrama esquemático y se realizara una modificación al circuito original

para incluir en su circuitería más componentes que permitan adaptar el circuito al montaje

final. Además se realizara el montaje del circuito en simulador y en la placa de prácticas

(ProtoBoard) tanto virtual como física, para ello se utilizaran como herramientas el

simulador Virtual LiveWire Versión 1.11 y la placa de prácticas (ProtoBoard).

Los Estudiantes

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RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR o Tiristor)

Un tiristor es un dispositivo conmutador biestable que tiene la propiedad de pasar rápidamente al estado “ON” (encendido) para una plena corriente de trabajo cuando recibe un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, y sólo puede ser puesto en “OFF” (apagado) con la interrupción de la corriente principal de trabajo, interrumpiendo el circuito o haciendo circular una corriente de sentido contrario. Los tiristores son usualmente dispositivos de mediana y de alta potencia. Son el equivalente sólido de los interruptores mecánicos, por lo cual dejan pasar plenamente o bloquean por completo el paso de la corriente de trabajo, sin niveles intermedios; o sea deja pasar todo o nada.

Al grupo de los tiristores pertenecen dispositivos tales como el DIAC, equivalente a dos diodos zener puestos en serie pero en sentidos inversos, o sea que sólo conducen corrientes cuando estas alcanzan ciertos voltajes así sean alternas; el SCR, un rectificador de conducción controlada; el TRIAC, equivalente a dos SCR en contraparalelo; el QUADRAC, o sea, un TRIAC con un DIAC incluido en serie con el terminal gate; el PUT, el fototiristor, el SUS, el SBS, entre otros. a. TEORÍA Y OPERACIÓN

El SCR es un pequeño dispositivo de tres terminales, o bornes, que hace el mismo trabajo semiconductor de un diodo normal (deja pasar la corriente en un solo sentido), pero con la diferencia de que en este se puede controlar el momento en el cual pueden comenzar a pasar los electrones. El primer terminal recibe el nombre de cátodo, y es utilizado como entrada de corriente. El segundo sirve de salida, y se le conoce como ánodo. El tercero es el gate, o terminal de control para el paso de corriente cátodo - ánodo. El gate, llamado también terminal de “arranque” o “encendido” del tiristor, sólo sirve para iniciar el paso de corriente entre las otras dos terminales, lo que logra con una corriente muy pequeña (unos 20 mA). Un SCR actúa de manera muy similar a un interruptor. Cuando está conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como un interruptor cerrado. Cuando está bloqueado, no puede fluir corriente de ánodo a cátodo; por consiguiente, actúa como interruptor abierto. Debido a que es un dispositivo de estado sólido, la conmutación de un SCR es muy rápida. El símbolo eléctrico del SCR se observa en la figura 1.1.

Figura 1.1. Símbolo eléctrico del SCR.

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b. FORMAS DE ONDA EN EL SCR

Los términos popularmente utilizados para describir como está operando un SCR, son ángulos de disparo y ángulos de conducción. El ángulo de conducción es el número de grados de un ciclo AC durante los cuales el SCR está en conducción. El ángulo de disparo es el número de grados de un ciclo AC que transcurren antes que el SCR pase al estado de conducción. La figura 1.2 muestra las formas de onda de un circuito de control con SCR para un ángulo de disparo.

Figura 1.2. Formas de onda del SCR

Cuando el ciclo de AC empieza su ciclo de alternancia positiva, el SCR está bloqueado. Por tanto, el voltaje instantáneo a través de sus terminales ánodo y cátodo, es igual al voltaje de la fuente. Esto es justamente lo que sucedería si se colocara un interruptor abierto en lugar del SCR. El SCR está tumbando la totalidad del voltaje de la fuente, el voltaje a través de la carga es 0 V durante ese tiempo. Más adelante a la derecha del eje horizontal, la figura muestra que el voltaje de ánodo a cátodo cae a 0 después de cerca de un tercio del semiciclo positivo; este es el punto correspondiente a 60o. Cuando el voltaje de ánodo a cátodo cae a 0, el SCR ha sido “cebado” o ha pasado al estado de conducción. Por tanto, en ese caso, el ángulo de disparo es de 60o. Durante los próximos 120o el SCR actúa como un interruptor cerrado a través de sus terminales. Siendo el ángulo de conducción de 120o. La forma de onda del voltaje en la carga de la figura10, muestra que cuando el SCR es “cebado”, el voltaje de la fuente se aplica a la carga. El voltaje de la carga sigue al voltaje de la fuente por el resto del semiciclo positivo, hasta que el SCR se bloquea de nuevo. El bloqueo del SCR ocurre cuando el voltaje de la fuente pasa por cero. En general, estas formas de onda muestran que antes de “cebado” el SCR, la totalidad del voltaje de la fuente cae en terminales del SCR y la carga recibe cero voltaje.

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Después de cebado el SCR, la totalidad del voltaje de la fuente cae en la carga, y el SCR tiene cero voltaje. c. CARACTERÍSTICAS DE PUERTA

Como ya se mencionó, el SCR es un elemento de tres terminales y es unidireccional, como lo sugiere su mismo nombre en cuanto a que es un rectificador. Además de sus dos terminales principales: ánodo y cátodo, el SCR posee un tercer electrodo de mando, llamado Compuerta (o puerta), que controla el flujo de corriente a través de sus terminales principales (de ánodo a cátodo). El SCR, aún cuando se polarice directamente, permanece normalmente bloqueado hasta el momento en que se le hace conducir por medio de una señal de corriente aplicada sobre su electrodo de mando, la compuerta, quien determina cuándo el rectificador conmuta del estado de bloqueo (circuito abierto) al estado de conducción (circuito cerrado). Para activar al SCR no es suficiente polarizarlo directamente (ánodo+, cátodo-). También es necesario aplicar en la compuerta un pulso de duración y magnitud suficientes para establecer una corriente de disparo, denominada IGT con valores comprendidos entre 0.1 y 20 mA, que dispare al SCR poniéndolo en conducción. Este pulso de corriente de puerta puede ser tan corto como 4 mseg. y su magnitud de unos pocos miliamperes. La figura 1.3 presenta el voltaje puerta a cátodo y corriente de puerta necesarios para cebar a un SCR.

Figura 1.3. Voltaje y corriente de puerta.

Dado que entre puerta y cátodo hay una unión pn estándar, el voltaje entre estos terminales VGK será ligeramente mayor que 0.6 V. Uno de los atractivos del SCR es que mediante esta pequeña señal de mando es capaz de manejar corrientes tan altas como 200 A a más de 1000 V (en aplicaciones de potencia), pudiendo desarrollar una frecuencia de operación cercana a 50 KHz. Además, puesto que el momento en que el SCR se dispara y entra en conducción puede determinarse con toda precisión, es posible gobernar a voluntad el valor medio de la corriente que fluye, a través del SCR , hacia una carga. Precisamente esta capacidad de control de la potencia, aunada a los altos rangos de corriente, voltaje y frecuencia de operación, y la alta velocidad de conmutación (siendo un dispositivo de estado sólido); son lo que hace del SCR un componente idóneo e indispensable en Electrónica de Potencia.

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d. CIRCUITOS TÍPICOS DE CONTROL DE PUERTA

El circuito típico de control de puerta más simple, algunas veces denominado circuito de disparo, se muestra en la figura1.4 . Este es un ejemplo de utilización de la misma fuente de voltaje para alimentar ambos circuitos, el circuito de control de puerta y el circuito de carga. El funcionamiento del circuito es el siguiente. Cuando la resistencia variable R2 se pone a cero, la resistencia fija R1 limita la corriente máxima de puerta. Esta corriente de puerta será suficientemente grande para disparar al SCR cuando la magnitud del voltaje de alimentación (Eac) sea pequeño. Por lo tanto, el ángulo de disparo será pequeño (idealmente=0) así como el valor promedio de la corriente por desfasamiento, y la máxima corriente de carga (IL). Cuando la resistencia variable R2 se pone a su máximo valor, la resistencia total del circuito de puerta (R1+R2) deberá ser tal que la corriente de puerta (iG) sea apenas suficiente para disparar al SCR cuando el voltaje de alimentación alcance su máxima amplitud. Esto es a los 90º del semiciclo positivo. e. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE CONEXIÓN DE LOS SCR A LA CARGA

La figura 1.5a muestra como dos SCR pueden combinarse con su transformador de toma central para efectuar un control de onda completa. Este circuito se asemeja bastante al rectificador de onda completa para una fuente de alimentación DC. Cuando el devanado secundario está en el semiciclo positivo, positivo arriba y negativo abajo, el SCR1 puede cebarse. Esto conecta la carga a la mitad superior del devanado secundario del transformador. Cuando el devanado secundario se encuentra en el semiciclo negativo, el SCR2, puede cebarse, conectando la carga a la mitad inferior del devanado secundario. La corriente a través de la carga siempre fluye en la misma dirección, tal como sucede en una fuente DC de onda completa. La figura 1.5b muestra las formas de onda de voltaje en la carga y del voltaje AC de línea para un ángulo de disparo de 45º aproximadamente.

Figura 1.4. Control de Fase con resistencia variable

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(a) (b)

Figura 1.5. Control de potencia. f. CIRCUITOS PUENTE CON SCR

Un solo SCR puede controlar ambas alternancias de una fuente AC cuando se

conecta como se muestra en la figura 1.6a. Cuando la línea AC está en su semiciclo positivo, los diodos A y C están polarizados directamente. Cuando el SCR se ceba, el voltaje de línea es aplicado a la carga.

Cuando la línea AC está en su semiciclo negativo, los diodos B y D están

directamente polarizados. Nuevamente el voltaje de línea es aplicado a la carga cuando el SCR se ceba. La forma de onda de la carga es similar a la mostrada en la figura 1.6b.

(a) (b)

Figura 1.6. Circuitos puente con SCR.

g. LOS SCR EN CIRCUITOS DC Cuando un SCR es utilizado en un circuito dc, no ocurre bloqueo automático,

porque, desde luego, la fuente de voltaje no pasa por cero. En esta situación, deben utilizarse otros medio para suspender la corriente principal del SCR (reducirla por debajo de IHO). El método obvio para hacerlo es desconectar la fuente de alimentación dc. En la mayoría de los casos, es impracticable.

A menudo, la corriente principal se suspende efectuando un cortocircuito temporal entre ánodo y cátodo. Este procedimiento se ilustra en la figura 1.7a, en la cual un transistor como interruptor está conectado en paralelo con el SCR. Cuando el SCR va a ser

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bloqueado, el circuito de disparo activa el transistor y lo lleva a saturación. La corriente de carga circula momentáneamente por el transistor haciendo que la corriente principal del SCR caiga por debajo de IHO. el transistor se mantiene en conducción el tiempo suficiente para que el SCR se bloquee. Este hecho normalmente toma algunos milisegundos en un SCR de mediana. Luego el circuito de disparo suspende la corriente de base, llevando el transistor a corte antes que se dañado por el paso de la gran corriente de carga.

(a) (b)

Figura 1.7. Circuitos de conmutación con SCR.

En esta distribución el circuito de disparo es responsable tanto por la conducción como por el bloqueo del SCR. Puede realizarse un bloqueo más efectivo si se polariza inversamente el SCR. Un circuito capaz de efectuarlo se muestra en la figura 1.7b. En este circuito el condensador se carga con la polaridad indicada cuando el SCR pasa a conducción. Para el bloqueo, el circuito de disparo nuevamente satura el transistor, lo cual efectivamente coloca al condensador en paralelo con el SCR. Dado que el voltaje a través del condensador no puede cambiar instantáneamente, el condensador, el condensador aplica temporalmente un voltaje inverso al SCR y lo bloquea.

CIRCUITO CARGADOR DE BATERÍA CON DESCONEXIÓN AUTOMÁTICA

Si se tiene una Batería o Acumulador de 12 Voltios DC podemos cargarla a través de este circuito con la alimentación de 120/240 VAC (corriente alterna), que tenemos en la casa. La disponibilidad de este circuito evita la necesidad de visitar al taller especializado para realizar la carga.

Diagrama esquemático del circuito original

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Cómo funciona el cargador de batería con desconexión automática

El sistema consiste de un sistema rectificador de onda completa (diodos D1 y D2 en el diagrama). El voltaje pulsante resultante (en forma de "m") se aplica directamente a la batería que se desea cargar a través del tiristor (SCR1).

Cuando la batería o acumulador está bajo de carga, el tiristor (SCR2) está en estado

de corte (no conduce y se comporta como un circuito abierto). Esto significa que a la compuerta del tiristor (SCR1) le llega la corriente (corriente controlada por el resistor R1) necesaria para dispararlo.

Cuando la carga se está iniciando (la batería está baja de carga) el voltaje en el cursor

del potenciómetro (la flechita) es también bajo. Este voltaje es muy pequeño para hacer conducir al diodo zener de 11 voltios. Así el diodo zener se comporta como un circuito abierto y SCR2 se mantiene en estado de corte.

A medida que la carga de la batería aumenta (o sea, el voltaje de la batería), el

voltaje en el cursor del potenciómetro también aumenta, llegando a tener un voltaje suficiente para hacer conducir al diodo zener. Cuando el diodo zener conduce, dispara al tiristor (SCR2) que ahora se comporta como un corto.

Cuando el tiristor SCR2 conduce se crea una división de voltaje con los resistores R1

y R3. La división de voltaje causa que el voltaje en el ánodo del diodo D3 sea muy pequeño para disparar al tiristor (SCR1) y así se detiene el paso de corriente hacia la batería (dejando de cargarla).

Cuando esto ocurre la batería está completamente cargada. Si la batería se volviese a

descargar el proceso se inicia automáticamente. El capacitor C, se utiliza para evitar posibles disparos no deseados del SCR2

Lista de Componentes del Circuito

Semiconductores Tiristores

1 (SCR1) común de 1 amperio 1 (SCR2) común de 5 amperios o más

Diodos 3 Diodos Rectificadores de 3 amperios 1 Diodo Zener de 11 Voltios, 1 watt (vatio)

Componentes Pasivos Resistores:

3 Resistencias de 47Ω (ohmios), 2 watts (vatios), 1 Resistencia de 1 KΩ (kilohmios), (1000Ω = 1 Kilohmio) 1 potenciómetro de 750 Ω (ohmios), 2 watts (vatios)

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Condensador: 1 Condensador Electrolítico de 50 μF, 12 voltios o más, (μF = microfaradios)

Transformador: 1 transformador con secundario de 12 Voltio C.A., 4 amperios

Otros

Interruptor doble Cables de Conexión ProtoBoard Batería / Acumulador de 12 Voltios DC

Montaje del circuito original y su modificación en simulador LiveWire Versión 1.11

Comprobación del funcionamiento del circuito:

1) Se energiza el circuito y se chequea con el multímetro que esté presente el voltaje en los cables de conexión de la batería.

2) Se desconecta la energía y se coloca una carga a la batería a fin de descargarla, luego se repite el paso uno a fin de chequear si la batería se carga.

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CONCLUSIONES La presente práctica buscaba estudiar el Rectificador Controlado de Silicio (SCR) y a

su vez representar el montaje de un circuito Cargador de Batería con Desconexión Automática. El montaje de este circuito nos permitió conocer el funcionamiento de este tipo de Tiristor, el cual como se dijo es un dispositivo conmutador biestable que tiene la propiedad de pasar rápidamente al estado “ON” (encendido) para una plena corriente de trabajo cuando recibe un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, y sólo puede ser puesto en “OFF” (apagado) con la interrupción de la corriente principal de trabajo, interrumpiendo el circuito o haciendo circular una corriente de sentido contrario. Vimos que entre sus características destacan:

La corriente que activa el SCR puede ser de bajo valor, pues con solo un pulso de corriente

este quedará activo. El voltaje que hay en el ánodo cae drásticamente al momento del encendido del SCR y

queda siendo un voltaje aproximado de 0.8 v.

Luego de encendido el SCR, no es necesario que la compuerta siga recibiendo corriente porque este seguirá conduciendo hasta que el voltaje disminuya a tal punto que se desactive.

Los SCR nos permiten controlar el paso de corriente a determinadas ramas de un circuito previniendo daños y alargando la vida útil de estos.

Según la referencia del SCR estos pueden controlar diferentes tipos de voltajes.

Mientras no se aplique ninguna tensión en el GATE del SCR, no se inicia la conducción, dado que esta es la clave para que el tiristor quede activo de forma “permanente” hasta que algo externo al él rompa la conducción.

Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control; debido a que el tiristor puede ser utilizado como interruptor de tipo electrónico.

La ventaja del circuito presentado en esta práctica se ve en su aplicación práctica,

pues si tiene una Batería o Acumulador de 12 Voltios DC podemos cargarla a través de este circuito con la alimentación de 120/240 VAC (corriente alterna), que tenemos en la casa. La disponibilidad de este circuito evita la necesidad de visitar al taller especializado para realizar la carga.

Además hicimos el montaje del circuito tanto en digital con el programa simulador

LiveWire Versión 1.11 y en la placa de prácticas (ProtoBoard) lo cual nos sirvió de mucha ayuda en las prácticas ya que pudimos observar su correcto funcionamiento y nos permitió realizar el montaje final en la placa de pruebas. De este circuito se hizo captura de pantalla y se anexo a la presente práctica.

Los Estudiantes

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REFERENCIAS

PÁGINAS WEB CONSULTADAS:

EL CONDUCTOR ELÉCTRICO (Ley de Ohm)

http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=19

DOCUMENTOS:

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA Sexta edición Albert Paul Malvino West Balley College McGRAW-HILYINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U.

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ANEXOS

Desconexión del SCR mediante conmutación forzada