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TIRISTORESSRC – RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO

TRIAC

INTRODUCCION

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia.

Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia.

Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.

Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Pueden soportar altas corrientes en conducción y elevadas tensiones en bloqueo, pero están limitadas en frecuencia a un máximo valor de 20KHz.

TIPOS DE TIRISTORES

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).

Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).

Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).

Tiristores de conducción inversa (RTC).

Tiristores de inducción estática (SITH).

Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR).

Tiristores controlados por FET (FET-CTH)

Tiristores controlados por MOS (MCT).

RECTIFICADOR CONTROLADO DE

SILICIO – SCR.

El SCR es un dispositivo de tres terminales que permite el flujo de corrientehacia la carga en un solo sentido.

Sus terminales son: Ánodo, Cátodo y Compuerta.

La terminal de compuerta permite el control del paso de bloqueo a

conducción.

Una vez que el SCR es activado, se comporta como un diodo en

conducción y ya no hay control sobre el dispositivo.

Para el caso de que la polarización sea inversa, el elemento estará

siempre bloqueado.

Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal y rectificador.

CARACTERISTICAS DEL S.C.R.

El S.C.R. posee una serie de características que lo hacen apto para

su utilización en circuitos de potencia:

Interruptor casi ideal.

Amplificador eficaz (pequeña señal de puerta produce gran señal A –

K).

Fácil controlabilidad.

Características en función de situaciones pasadas (Memoria).

Soporta altas tensiones.

Capacidad para controlar grandes potencias.

Relativa rapidez.

CARACTERISTICAS DEL S.C.R.

ESQUEMA DEL SCR Y MODELOCONSTITUTIVO DE 4 CAPAS

La acción regenerativa o de enganche

debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un

transistor NPN, Q2

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ESTRUCTURA Y CARACTERISTICA V - I

En la fabricación se emplean técnicas de difusión y

crecimiento epitaxial. El material básico es el Si.

PARAMETROS DEL SCR

CARACTERISTICAS ESTATICAS DEL S.C.R.

Las características estáticas corresponden a la región ánodo -

cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en el

límite de sus posibilidades.

Su análisis permite seleccionar, en una primera aproximación, el

tiristor que mejor se ajusta a las necesidades del problema que se

trata de resolver.

En general, bastará con observar los valores de los siguientes

parámetros de entre los ofrecidos en las hojas de características

del fabricante para seleccionar el elemento: VRWM, VDRM, VT, ITAV,

ITRMS, IR, Tj, IH.

CARACTERISTICAS DE CONTROL

Determinan la naturaleza del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.

Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VGFM, VGRM, IGM, PGM, PGAV, VGT, VGNT (VGD), IGT, IGNT

(IGD), VGNT (VGD) e IGNT (IGD) que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los

tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.

Entre los parámetros más importantes cabe destacar los siguientes:

VGT e IGT, que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

VGNT e IGNT, muy importantes porque dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no basculan a conducción.

CARACTERISTICAS DE CONTROL

CURVA CARACTERISTICA DE COMPUERTA DE UN SCR.

CARACTERISTICAS DE CONTROL

Observar las curvas y

parámetros de puerta de las

hojas de características adjuntas( SKT10

de Semikron)

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CARACTERISTICAS DE CONMUTACION

Características de

conmutación:

Los SCRs necesitan untiempo para pasar de

bloqueo a conducción yviceversa.

A.- Tiempo de Encendido(tON)

El tiempo de encendido

(paso de corte aconducción) tON, se divide

en dos partes:

A1.- Tiempo de retardo. (td)

A2.- Tiempo de subida. (tr)

CARACTERISTICAS DE CONMUTACION

B.- Tiempo de Apagado (tOFF)

Es el tiempo de paso

conducción a corte

Dividimos el tiempo de apagado en dos:

• Tiempo de recuperación inversa. (trr).

• Tiempo de recuperación de puerta (tgr).

grrroff ttt qt

CARACTERISTICAS DE CONMUTACION

Es aconsejable tratar de identificar los

parámetros de conmutación en las hojas

de características.

CARACTERISTICAS DE CONMUTACION

La extinción del SCR se producirá por dos motivos:

Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de

la corriente de mantenimiento

Y por anulación de la corriente de ánodo.

Parámetros que influyen sobre toff:

Corriente en conducción (IT). Tensión inversa (VR). Velocidad de caída de la corriente de ánodo dI/dt. Pendiente de tensión dVD/dt. Temperatura de la unión Tj o del contenedor Tc. Condiciones de puerta.

CONDUCCION DEL S.C.R.

Angulo de Conducción

La corriente y la tensión

media de un tiristor variaránen función del instante en elque se produzca el disparo, es

decir, todo va a dependerdel ángulo de conducción. La

potencia entregada y lapotencia consumida por eldispositivo, también

dependerán de él: cuantomayor sea éste, mayor

potencia tendremos a lasalida del tiristorCuanto mayor es el ángulo

disparo, menor es el deconducción:

180º = Ángulo conducción+ Ángulo disparo

CIRCUITO DE POTENCIA CON S.C.R.

FORMAS DE ONDA PRODUCIDAS EN

TERMINALES DEL SCR Y LA CORRIENTE A TRAVES DEL SRC PARA UN

ANGULO DE DISPARO.

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EJEMPLOS

El circuito de la figura representa un control simple de potencia

con carga resistiva, calcular:

1.- Tensión de pico en la carga.2.- Corriente de pico en la carga.

3.- Tensión media en la carga.4.- Corriente media en la carga.5.- Realizar un estudio mediante PsPice, obteniendo las formas de

onda para un ángulo de conducción = 60º. Comprobar que losapartados calculados en el ejercicio, coinciden con las

simulaciones.

Datos: Ve (RMS) = 120V f = 50Hz = 60º RL = 10

169.7V2VVV e(RMS)máxp(carga)

16.97V10

169.7

R

VI

L

p(carga)

p(carga)

V5.40cos60º12

7.169Vmed

A051.4cos12

II máx

med

FORMAS DE ONDA DE LOS VOLTAJES EN LA CARGA Y EN LAS

TERMINALES ANODO – CATODO DEL SCR PARA α = 60°, SUPONIENDO UNA CARGA

RESISTIVA

METODOS DE DISPARO DEL S.C.R.

Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberácircular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de

conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:

• Por puerta.• Por módulo de tensión. (V)

• Por gradiente de tensión (dV/dt)

• Disparo por radiación. • Disparo por temperatura.

El modo más usado es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de

tensión son modos no deseados.

Para que se produzca el cebado de un SCR, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo

suficientemente largo como para permitir que el SCR alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.

FORMAS DE PROVOCAR EL DISPARO

DEL S.C.R.

DISPARO POR COMPUERTA

Disparo por impulso Disparo por puerta

DISPARO POR GRADIENTE DE VOLTAJE

Disparo indeseado

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PROTECCION DEL SCR (TRIAC) LIMITACIONES DEL S.C.R.

Las más importantes son debidas a:

Frecuencia de funcionamiento.

Sobretensiones y pendiente de tensión (dv/dt).

Pendiente de intensidad (di/dt).

Temperatura.

En circuitos donde el valor de dv/dt sea superior al valor dado por

el fabricante, se pueden utilizar circuitos supresores de transitorios. Se conectan en bornes de la alimentación, en paralelo con el

semiconductor o en paralelo con la carga.

Una solución muy utilizada en la práctica es conectar en paralelo

con el tiristor un circuito RC (Red SNUBBER), para evitar variacionesbruscas de tensión en los extremos del semiconductor:

LIMITACIONES DEL S.C.R. LIMITACIONES DEL S.C.R. - FRECUENCIA

VARIACION BRUSCA DEL VOLTAJE ENTRE ANODO Y CATODO, dv/dt.

EJEMPLO DE CALCULO DE UN CIRCUITO

DE PROTECCION R – C El SCR del circuito de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. Ladescarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el

momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS

al circuito.Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta del elemento,

calcular:

1º) Valor del condensador de la red de protección.2º) Valor de la resistencia de protección.

Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20; Imáx = 3A

5.55A120

311V

R

V(0)I

L

máx SC

F311.0s/V50

15.55A

dt

dVCIC

C

100103.63A

311VR

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MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DEPROTECCIÓN:

A.- Método de la constante de tiempo (más utilizado).

B.- Método resonante.

A.- Método de la constante de tiempo

Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante detiempo () de la dv/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:

min

DRM

dt

dV

V0.63

KII

VR

LTSM

Amáx

K= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)

Cdt

dI

VR Amáx

min

La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.

VARIACION BRUSCA DE LA CORRIENTE

DURANTE LA ACTIVACION DEL SCR, di/dt

LIMITACIONES DEL S.C.R.

Limitaciones de la pendiente de intensidad (di/dt)

Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una

destrucción del tiristor.(creación de puntos calientes)

Un procedimiento posible es añadir una inductancia L para conseguir que la pendientede la intensidad (di/dt) no sobrepase el valor especificado en las características delestado de conmutación.

L

tR

A e1R

VI

máx

A

dt

dI

VL

EJEMPLO DE CALCULO DE R, L y C

Supongamos que el SCR está

colocado según la figura. Calcular

aplicando el método de la cte de

tiempo el circuito de protección

contra dv/dt y di/dt.

Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5;

SCR:VDRM = 500V; ITSM = 250A;di/dt = 13.5 A/µs;dv/dt = 50V/µs

83.3

KII

VR

LTSM

AmáxS

15.4

Cdt

dI

VR Amáx

min

H7.21

dt

dI

VL Amáx

294V2208VAmáx

s3.6

dt

dV

V0.63

min

DRM

F26.1R

C

EXTINCION DEL S.C.R.

Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual,obligaremos al tiristor que estaba en conducción a pasar a corte. En

el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemoscompletamente el control sobre el mismo.

Conmutación Natural

-a.-) Libre-b.-) Asistida

Conmutación Forzada

-a.-) Por contacto mecánico-b.-) Por circuito resonante

-Serie-Paralelo

-c.-) Por carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliar

intensidad por el tiristor

se anula por si misma

Secuencia lógica de la

fuente primaria

TIPOS DE SCRs

DISTINTOS TIPOS DE SCRs

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TRIAC – TRIODO DE A.C.

Es un dispositivo de tres terminales usado para controlar la

corriente que fluye una carga.

Un triac se diferencia de un SCR en que este puede conducir

corriente en cualquier dirección cuando esta en encendido.

CARACTERISTICAS DEL TRIAC

La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de

potencia entregada a una carga, en corriente alterna.

El triac conmuta del modo de corte al modo de conducción

cuando se inyecta corriente a la compuerta. Para apagar el

triac la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor

de la corriente de retención.

La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el

aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de

bloqueo.

DISPARO DEL TRIAC

Existe un gran número de posibilidades para realizar en la práctica el disparo del TRIAC.

Varios de ellos, los mismos que los utilizados para disparar al SCR.

Por supuesto, se elige aquella que mas resulte adecuada para la aplicación concreta de que se trate.

Se pueden resumir en dos variantes básicas:

DISPARO DEL TRIAC

DISPARO POR CORRIENTE CONTINUA.

DISPARO POR CORRIENTE ALTERNA.

CORRIENTE CONTINUA CORRIENTE ALTERNA

CURVA CARACTERISTICA DEL TRIAC FORMAS DE ONDA EN UN CIRCUITO DE

POTENCIA CON TRIAC

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DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE

DISPOSITIVOS OPTICOS

DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE DISPOSITIVOS OPTICOS

DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE DISPOSITIVOS OPTICOS