--- CIRCUITOS DE DISPARO DE TIRISTORES PARA RECTIFICADORES
CONTROLADOS
El circuito de disparo o excitación de compuerta de los tiristores, es una parte integral del convertidor de potencia. La salida de un convertidor, que depende de la forma en que el circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutación (tiristores), es una función directa del proceso de cómo se desarrolla la conmutación. Podemos decir entonces que los circuitos de disparo, son elementos claves para obtener la salida deseada y cumplir con los objetivos del “sistema de control”, de cualquier convertidor de energía eléctrica.
El diseño de un circuito excitador, requiere el conocimiento de las características
eléctricas de compuerta del tiristor específico, que se va a utilizar en el circuito principal de conmutación. Para convertidores, donde los requisitos del control no son exigentes, puede resultar conveniente diseñarlo con circuitos discretos. En aquellos convertidores donde se necesita la activación de compuerta con control de avance, alta velocidad, alta eficiencia y que además sean compactos, los circuitos integrados para activación de compuerta que se disponen comercialmente, son más conveniente.
Las partes componentes de un circuito de disparo para tiristores usados en los rectificadores controlados por fase, a frecuencia industrial, son los siguientes: El circuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar el disparo, el circuito conformador del pulso, el circuito amplificador del pulso (opcional), el circuito aislador y finalmente el circuito de protección de la compuerta del tiristor. El diagrama en bloques siguiente, nos da una idea gral, de la Inter relación de estos componentes:
Tensión CA de la red eléctrica
Sincronizador (Detector de cruce por cero)
Circuito con base de tiempo
para el retardo del ángulo de
disparo Entrada
Señal de control
Generación y amplificación del
pulso de disparo Aislador del
circuito de disparo con los
circuitos de conmutación Protección de
la compuerta del tiristor
SCR1 SCR2
. . SCRn
Carga
--- Circuito sincronizador: Este circuito, se encarga de iniciar la base de tiempo en
sincronismo con la frecuencia de red, de manera tal de retrasar el mismo ángulo (respecto al cruce por cero de la tensión de red), el pulso de disparo, en todos los semiciclos.
Entrada señal de control: Esta señal es la que determina el retraso del ángulo de disparo, señal generada en forma manual o a través de un sistema realimentado. Para este ultimo caso, la señal se genera por la interacción de la señal de referencia, la señal realimentada y el algoritmo de control (proporcional, proporcional+integrador, etc.).
Circuito base de tiempo: En los circuitos analógicos, la base de tiempo se genera por medio de un circuito tipo RC, o sea a través de la carga de un condensador, con una constante de tiempo τ=CR., hasta una tensión que genera un pulso de disparo. En los sistemas programables, la base de tiempo se genera por programación o por medio de un temporizador interno que se carga también por programación.
Generación de los pulsos de disparo: Para la generación de los pulsos, se disponen de muchas variantes de circuitos, con aplicación de transistores bipolares o mediante semiconductores específicos, que generan, cortos pulsos de disparo.
Circuito de aislamiento entre el generador de pulsos y el circuito convertidor:
fundamentalmente se utilizan dos técnicas. Una es la de utilizar un transformador aislador de pulsos y la otra un dispositivo semiconductor foto controlado de silicio, también llamado opto acoplador. Otra técnica utilizada es a través de las fibras ópticas con emisor en el circuito de disparo y receptor en el circuito de compuerta.
Protección de la compuerta: Se utilizan circuitos de protección contra disparos por tensiones espurias.
Mas adelante, desarrollaremos con mas amplitud, estos elementos que componen el circuito de disparo.
SEMICONDUCTORES QUE GENERAN PULSOS DE DISPARO
Existen una gran variedad de dispositivos semiconductores que pueden utilizarse para generar pulsos de disparo. Entre ellos tenemos aquellos que actúan como transistores y otros lo hacen como tiristores. Se los utiliza para generar pulsos de disparo en circuitos de relajación (osciladores) o como disparadores por nivel de tensión.
Transistores disparadores:
UJT : Transistor unijuntura.
CUJT: Transistor unijuntura complementario DIAC: Disparador bidirecional tipo npn.
Tiristores disparadores:
PUT: Transistor unijuntura programable.
LAPUT: Transistor unijuntura programable activado por luz.
DIODO SCHOCKLEY: Diodo tiristor.
SUS : Conmutador unilateral de silicio
--- SBS: Conmutador bilateral de silicio.
ST4 : Disparador asimétrico de GE.
Lámpara de Neon (poca aplicación o muy limitadas)
Analizaremos solamente el funcionamiento y aplicación de tres de estos dispositivos, el UJT, el PUT y el DIAC, que son los mas conocidos en lo que se refiere a sus
aplicaciones.
Transistor unijuntura (UJT)
Es un dispositivo semiconductor compuesto por tres terminales; en dos terminales, denominados base 1(B1) y base2 (B2), se sitúa una resistencia semiconductora (tipo n) denominada “resistencia interbase RBB”, cuyo valor varia desde 4,7 a 10 K . En un punto determinado de esta resistencia, se difunde una zona “p” que forma una juntura diódica que se conecta al tercer terminal, denominado “emisor” (E). El grafico muestra la característica V-I del emisor respecto a la base1 (B1), el símbolo del UJT y su
circuito equivalente:
La polarizacion se realiza aplicando una tensión positiva a la base B2 (VBB≈5 a 30 volt) La máxima tensión aplicada, esta limitada por la disipación del UJT.
___________
VBB = √ RBB. VDmax. La corriente IB2 vale:
IB2 = VBB / RBB IE
IV IP
IEBO VV VK VP VE
Emisor Base 2
Base 1 Símbolo
Circuito eléctrico equivalente Características tensión –corriente del terminal Emisor-Base 1
--- El UJT se dispara cuando la juntura pn se polariza directamente.
Si la tensión del emisor (VE) es menor a (VC), circula por la juntura una corriente inversa denominada IEBO. Cuando la tensión del emisor supera a la tensión VC, la juntura se polariza directamente la corriente del emisor se hace positiva , inyectando portadores minoritarios en la porción de la resistencia RBB, comprendida entre el diodo y la base 1(B1), haciendo que este tramo, aumente drásticamente su conductividad y disminuya su resistencia eléctrica. En esta situación, la tensión del emisor disminuye cuando la corriente del emisor aumenta (zona de resistencia negativa), dado que la tensión VC= VBB .R1 (R1+R2) disminuye al disminuir R1. El la grafica V-I este fenómeno comienza en el punto “VP. IP.”. La corriente queda limitada solamente por la resistencia R1 y la de la fuente de tensión que polariza al emisor. ( se produce un pulso de corriente de magnitud).
La tensión VE, para producir el disparo o sea VP, vale:
VP = (R1/R1+R2). VBB + VD. = η.VBB +VD
R1/ (R1+R2) se le denomina “relación intrínseca η” y tiene un valor en particular para cada tipo de UJT. La relación intrínseca toma un valor entre 0,45 y 0,82.
La VBB, se denomina “tensión ínter básica” y es la tensión que se aplica entre las bases B1 y B2.
La “VD” es la tensión umbral de polarizacion directa de la juntura PN, cuyo valor es aproximadamente de 0,56 volt a 25º C y disminuye en aprox. 2 mv / ºC.
Cuando IE aumenta, VE disminuye (zona de característica negativa) hasta un valor dado por IV, VV, donde nuevamente comienza aumentar. Si al dispositivo, lo hacemos
trabajar por debajo de los valores de IV y VV, el valor de R1 retoma su valor original. Si la tensión de emisor se mantiene constante y mayor que VV, R1 se mantiene en su valor bajo y no se reestablece.
En la aplicación, la tensión de disparo VE= VP, se debe mantener constante; pero como varia con la temperatura, debido la valor de VD, resulta entonces necesario compensar esta variación. El procedimiento es colocar una resistencia de carbón en la base B2 que tiene un coeficiente de variación positivo, para contrarrestar el coeficiente negativo de la juntura pn. La figura muestra el circuito:
--- El valor de RB2 se calcula de la siguiente forma:
Vp = VD + η. VBB. (1) VBB= Vcc – RB2. IB2 (2) IB2 = Vcc / (RBB + RB2) (3)
Reemplazando (3) en (2) y luego en (1) obtenemos:
Vp = VD + η. VCC - η.Vcc. RB2 / (RBB + RB2) como RBB >> RB2: Vp ≈ VD + η. VCC - η.Vcc . RB2 / RBB
Como el coeficiente de temperatura de RBB es de + 0,008%/ºC y el de RB2 es de +0,004%/ºC, entonces tanto VD como el termino η.Vcc . RB2 / RBB sufren las mismas variaciones con la temperatura. Si hacemos:
VD = η.Vcc. RB2 / RBB la formula anterior nos queda:
VDp= η. VCC
El valor de RB2 para que se cumpla lo anterior, lo obtenemos despejando de la igualdad anterior como:
RB2 = V D. RBB / (VCC. η)
Si en la base B1 se conecta una resistencia RB1 entonces el valor de RB2 se lo debe incrementar en (1-η.RB1) / η quedando:
RB2 = V D. RBB / (VCC. η ) + (1-η.RB1) / η Oscilador de relajación con UJT
--- El transistor unijuntura, se lo utiliza como oscilador de relajación, para generar pulsos de disparo. El circuito trabaja de la siguiente forma. El capacitor, conectado entre el emisor y la base1 se carga exponencialmente con una constante de carga (base de tiempo) dado por el producto de CE. RE. Cuando se llega al valor de la tensión de disparo “ VP.” el capacitor se descarga a través del emisor, rápidamente, dado por la constante de descarga “de CE.( R1.+ RB1. )“. Cuando se llega al valor VE.= VV. , el emisor se bloquea, parando la descarga del capacitor y nuevamente comenzando el ciclo de carga. La grafica muestra la forma de onda en el capacitor ( VE.= VC. ) y la señal pulsante en los extremos de RB1
Para calcular el periodo de los pulsos, partimos de la tension de carga del condensador:
VC = Vcc. (1 – e-t/R.C)
Para nuestro caso el tiempo “T1” lo calculamos para Vcc’ = Vcc – VV y VC.= VP.
VC = (Vcc_VV). (1 – e-T1/RE.CE) Despejando el tiempo T1 obtenemos:
T1 = RE .CE . ln ( VCC.- VV ) / (VCC.- VP ).
El tiempo T2 de descarga es difícil de calcular por la variación que sufre la resistencia de descarga a través de R1 y RB1. Para el caso de RB1 = 0 el valor de T2 vale
empíricamente:
T2 ≈ (2+5.C). VEsat.
Donde VEsat es el valor dado en las características del UJT para IE = 50 mA.
No obstante en las aplicaciones para disparo de tiristores, resulta T1 >>T2 por lo cual el periodo lo calculamos como:
T = T1+ T2 ≈ T1
La expresión para el periodo se puede simplificar si hacemos VV ≈ 0 T = RE .CE . ln VCC. / (VCC.- VP ).
Por otra parte como Vp = η.Vcc reemplazando:
T= RE .CE . ln VCC / (VCC.- η.Vcc). = RE .CE . ln 1 / (1-η)
Para un transistor unijuntura para disparo de tiristores como el 2N2646, el valor de la relación intrínseca vale η≈ 0,63, entonces reemplazando tenemos:
T = RE .CE.
Las condiciones de diseño para un circuito de disparo de tiristores con UJT, no son muy rigurosas. La resistencia RB1 se limita a un valor inferior a 100 . En algunas
aplicaciones su valor podrá valer entre 2000 y 3000 . Si el pulso de disparo se toma de
--- producida por la corriente interbase, no tome un valor superior a la de disparo del tiristor.
VGtmax > RB1 . Vcc / ( RBB+ RB1 +RB2.)
El resistor RE de tener un valor comprendido entre 3 K y 3 M , para permitir que el circuito oscile. Si es muy grande, es posible que no llegue a la tensión de disparo. Si es muy chico, el UJT se dispara pero luego entra en la zona de resistencia positiva y no vuelve a bloquearse.
Sincronización de los osciladores de relajación
El periodo de oscilación T de estos osciladores no es muy preciso, por lo que resulta conveniente sincronizarlos con una frecuencia de mayor precision. Existen varios métodos por ejemplo ingresando pulsos de amplitud negativa en B2 para reducir la tensión interbase, reduciendo así la tensión de disparo y obligar al UJT a dispararse.
Cuando se utiliza el transistor unijuntura para generar pulsos de disparo para tiristores para el control de potencia eléctrica en sistemas eléctricos de frecuencia industrial (50 o 60 Hz) se realiza de diversas formas el sincronismo con la frecuencia de la red. En todos ellos se aprovecha el cruce por cero de la tensión. Una forma es alimentar el oscilador de relajación con UJT con una tensión rectificada de onda completa y estabilizada con un diodo Zener. De esta forma cuando la tensión pase por cero, todo el circuito
prácticamente esta con valor cero, el capacitor CE esta descargado y de esta forma en cada semiciclo la base de tiempo genera el pulso de disparo en el mismo periodo de tiempo “T” o de otra forma podrá disparar al tiristor con el mismo retraso de tiempo o ángulo, con respecto al cruce por cero de la tensión de red.
El diodo zener cumple la función de estabilizar la tensión de alimentación del generador de pulsos, permitiendo en cada semiciclo generar el pulso, con la misma tensión de disparo Vp.
Entrada pulsos de sincronismo
Salida de pulsos sincronizados
--- En el siguiente circuito, se muestra el circuito de sincronización junto al generador de pulsos:
Control manual de potencia eléctrica para un convertidor CA a CC (rectificador controlado)
Este sistema de control, si bien es obsoleto tecnológicamente hablando, tiene
importancia del punto de vista conceptual dado que nos da las ideas fundamentales del control por fase y la importancia de la sincronización con la frecuencia de red.
En el circuito la sincronización se logra rectificando la tensión alterna en los extremos del Triac y alimentando el circuito de disparo. En este caso se utiliza un transformador de pulsos para aislar el circuito de disparo (alimentado con tensión de +24 Volt) respecto a la tensión de alimentación de la carga (220 V ca)
La potencia en la carga se controla retrasando el disparo del triac respecto al cruce por cero de la tensión de alimentación. Para ello se modifica la base tiempo que carga al capacitor CE, por medio de un potenciómetro RE. Para este circuito si quisiéramos adaptarlo para un sistema de control automático, el potenciómetro RE, debería reemplazarse por un transistor que controle la corriente de carga del capacitor CE, en
Tensión de alimentación para sincronización
Pulso de disparo
--- En la próxima figura se grafican las formas de ondas del circuito, así como la variación de la potencia en la carga en función del porcentaje del valor de RE.
Se puede apreciar que no tenemos linealidad entre el valor de la resistencia RE y el valor de la potencia controlada sobre la carga.
Vtriac
Vs’
Vz Vp VE
Vdisp
%VL 100 80 60 40 20
0 25 50 75 100 %RE
t
t
t
--- Control pedestal
Este método de control, consiste en cargar en forma rápida (cte RC bajo) al capacitor exponencialmente hasta la tensión de disparo Vp. De esta forma, la tensión de disparo queda determinada por el divisor de voltaje resistivo de potenciómetro, como muestra el circuito:
En la grafica se observa que tenemos una variación brusca en el control de la potencia eléctrica sobre la carga, con la variación de la resistencia del potenciómetro. Este control podría aplicarse el “control todo o nada” como el caso de los relés estáticos asincrónicos. Este sistema manejado desde un “sistema de control automático” se podría hacer funcionar mediante un transistor, controlando la corriente de base, como muestra la figura:
Para este caso cuando el transistor pasa al corte, haciendo la corriente de base cero, El UJT se dispara en el inicio de cada ciclo entregando a la carga la potencia máxima.
Cuando el transistor esta conduciendo, el capacitor queda cargado con una tensión baja (VBEsat) y por lo tanto nunca se llega a la tensión de disparo Vp, del UJT; por lo que no se entrega potencia a la carga.
0 30 60 100 Rp VL
(%) 100
0
VL
ib