jueves, 18 de junio de 2009

El Rectificador Controlado de Silicio (SCR) y el TRIAC. Ceti Plantel Tonala.

El Rectificador Controlado de Silicio (SCR).
El SCR es el tiristor más ampliamente conocido debido a las numerosas aplicaciones en las cuales juega un importante papel. Este dispositivo unidireccional puede soportar altos niveles de voltaje y corriente como ningún otro tipo de tiristor puede hacerlo. Actualmente, pueden conseguirse SCR para controlar corrientes del orden de mil quinientos amperios y voltajes de hasta dos mil voltios. El símbolo esquemático del SCR es mostrado en la figura 1, en donde se observa que está constituido por tres terminales externos denominados ánodo, cátodo y compuerta.


Figura 1.- Símbolo y circuito equivalente del SCR

Como puede apreciarse, el sentido de conducción del dispositivo es de ánodo a cátodo. La operación del SCR puede entenderse mas fácilmente si se visualiza su construcción en capas como la interconexión de dos transistores pnp y npn. Si un voltaje positivo es aplicado entre los terminales de compuerta y cátodo, se fuerza a que el transistor T1 entre en conducción y por lo tanto también T2. El transistor T2 alimenta a su vez a T1 de tal forma que se inicia un proceso regenerativo que termina cuando los dos transistores están en saturación. Este proceso necesita solamente unos pocos microsegundos y es conocido como enganche, debido a que los transistores continúan en conducción así la señal de compuerta haya desaparecido. Cuando el SCR está activado, los terminales ánodo-cátodo presentan una baja resistividad y una pequeña caída de tensión de tal forma que su comportamiento es el de un switch cerrado. Cuando se lleva al bloqueo, la impedancia entre terminales es muy elevada por lo cual circula una pequeña corriente teniendo en este caso un comportamiento de switch abierto. El control del dispositivo se hace a través de la compuerta, pues por este terminal se proporciona el nivel de disparo que conmuta al dispositivo llevándolo de la región de bloqueo a la de conducción. En la región de conducción la resistencia dinámica que presenta el SCR tiene valores típicos de .1 ohmios, mientras que en la región de bloqueo la resistencia inversa es del orden de los 100 k-ohmios o más. En la gráfica de curva característica, figura 2, puede verse claramente la variación del voltaje de ruptura V(bx) con respecto a los distintos niveles de corriente aplicados en compuerta.

Figura 2.- Curva Característica de un SCR

Si la corriente aumenta, el dispositivo se torna mas sensible al disparo por señal aplicada en el terminal de ánodo, mientras que si esta corriente tiende a valores muy pequeños el voltaje de ruptura tiende a ser V(br). Como lo indican las curvas, para que se pueda establecer la conducción directa, el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo. Esto sin embargo no es suficiente para que efectivamente se entre en conducción. Es necesario aplicar una corriente de compuerta que permita el encendido. Se debe entonces aplicar un pulso positivo en compuerta que sea capaz de entregar al menos la corriente mínima para que el dispositivo sea llevado a conducción. Una vez se esté en la región de conducción, el dispositivo permanecerá en ella hasta tanto circule al menos una corriente de mantenimiento, así se cambie la polaridad del pulso de compuerta. Es necesario entonces, para abrir el SCR, recurrir a métodos de desactivación los cuales son aplicados entre los terminales ánodo y cátodo, y que básicamente lo que hacen es drenar la corriente circulante. Entre los mecanismos utilizados se encuentra el de corte del voltaje de polarización, el de inversión de polaridad en el voltaje aplicado y el de desvío de corriente por redes secundarias. En la figura 3 puede observarse la gráfica de características de compuerta en donde se distinguen las distintas áreas para disparo.

Figura 3.- Características de la compuerta

Cualquier combinación de voltaje y corriente que esté fuera de la región sombreada, disparará al dispositivo o dispositivos del mismo tipo.

Formas de Onda
Los términos mas populares para describir como por medio de un SCR puede hacerse control sobre una carga dada, son el ángulo de conducción y el retraso por disparo. El ángulo de conducción hace referencia al número de grados de un semiciclo de ac, durante el cual el SCR está en conducción. El atraso en disparo hace mención al número de grados en un semiciclo de ac que transcurre antes de que el SCR sea llevado a conducción. La figura 4 muestra las formas de onda en un circuito de control para dos valores diferentes de ángulo de atraso, tanto en los terminales del SCR (Vak) como en la carga (Vo).


Figura 4.- Ángulos de atraso y conducción

Como puede apreciarse, en t = t1 se aplica un pulso en compuerta que hace que el dispositivo entre en conducción presentando características de cortocircuito. Hasta tanto no se alcance el tiempo t1, el voltaje en la carga es cero y toda la tensión aplicada se desarrolla sobre los terminales del SCR. A partir de este instante, la carga recibe todo el suministro de potencia que se entrega, mientras que el SCR tiene una tensión cero en sus terminales pero con un elevado valor de corriente circulando. Cuando la señal alterna aplicada hace su cruce por cero, el dispositivo entra nuevamente en bloqueo ya que prácticamente la corriente que se entrega es cero y el voltaje en sus terminales cambia de polaridad. Bajo estas condiciones la potencia que se entrega a la carga es nuevamente cero y hasta tanto no vuelva a dispararse el SCR mediante una señal de compuerta, este permanecerá bloqueado.

EL TRIAC
Como el SCR, otro tiristor de amplia utilización es el TRIAC. Este actúa también como un switch, con una compuerta que controla los estados de conducción o bloqueo a los que se puede llevar. A diferencia del SCR, el TRIAC es un dispositivo bidireccional, pudiendo ser activado con niveles de polaridad positiva o negativa en compuerta. La gran ventaja que presenta el TRIAC es que puede ser utilizado en aplicaciones en las cuales se requiere ejercer control sobre cargas ac, tales como control de motores y sistemas de calentamiento. El símbolo esquemático del dispositivo es mostrado en la figura 5, así como su curva característica.

Figura 5.- Símbolo esquemático y características del TRIAC

Como se puede observar, puede asimilarse la conformación de un TRIAC como dos SCR conectados en antiparalelo con un sólo terminal externo de control, compuerta, mediante el cual se produce el encendido en cualquier dirección. Es decir, con cualquier sentido de circulación de corriente en compuerta se logra la conducción del dispositivo. También al igual que para un SCR, la presencia de corriente de compuerta hace que el voltaje de ruptura disminuya tanto más, cuanto más aumente la corriente aplicada. Como puede verse en la curva característica, el TRIAC trabaja en dos cuadrantes: primero y tercero. En el primer cuadrante el terminal T2 es positivo con respecto a T1 y en el tercero T1 es positivo con respecto a T2. El voltaje de ruptura en cualquiera de los dos cuadrantes debe ser mayor que el valor pico de la señal aplicada, pues sólo de esta forma puede garantizarse el control mediante el disparo por compuerta. Si el valor pico de señal es mayor que el voltaje V(br), el TRIAC se disparará y entrará en conducción sin necesidad de señal de compuerta. Una corriente de compuerta de cualquier polaridad pero de amplitud específica puede disparar al dispositivo en cualquiera de los dos cuadrantes siempre y cuando se cumpla la condición anterior. Una vez en conducción, el dispositivo permanecerá en este estado hasta que la corriente disminuya por debajo del valor de sustentación. Ahora, puesto que el TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes mencionados, el diseñador puede seleccionar la forma de control por medio de los siguientes modos de disparo:

-Modo 1+ primer cuadrante con T2(+) y G(+)

-Modo 1- primer cuadrante con T2(+) y G(-)

-Modo 3+ tercer cuadrante con T2(-) y G(+)

-Modo 3- tercer cuadrante con T2(-) y G(-)

La sensibilidad del TRIAC es mayor en los modos (1+) y (3-), ligeramente menor en el (1-) y mucho menor en el (3+). Debido a que este último modo ofrece muy poca sensibilidad, cuando la señal de compuerta tenga una sóla polaridad debe escogerse esta negativa de tal forma que se trabaje en los modos (1-) y (3-).

Formas de Onda
La figura 6 muestra las señales desarrolladas en los terminales del TRIAC (VT2T1) así como las de la carga (Vo).

Figura 6.- Señales en terminales de carga

Como puede observarse el control que puede ejercerse es sobre 360°, a diferencia del SCR en el cual sólo se tiene control sobre 180°.

Circuitos de Disparo de Tiristores
Los mecanismos de disparo de dispositivos tales como SCRs y TRIACs son clasificados en términos generales de acuerdo al tipo de señal que se aplica en el terminal de compuerta. Los métodos que para tal efecto se utilizan son:

-Disparo dc

-Disparo ac

-Disparo por pulsos

Siendo los mas generalizados el ac y el de pulsos mediante la utilización de gatillos. Es conveniente aclarar que los dispositivos que permiten que efectivamente, se pueda hacer un manejo de la potencia suministrada a la carga, son el Rectificador Controlado de Silicio SCR y el Triodo AC Triac. El resto de dispositivos tales como el UJT, el PUT, el Diodo Shockley y el DIAC son utilizados como elementos constitutivos de los circuitos de disparo, para obtener la transición del estado de bloqueo al de conducción de los dispositivos mencionados inicialmente. A continuación se muestran algunos circuitos típicos con sus correspondientes formas de onda. Para todos los circuitos mostrados, se supone que la tensión aplicada es una señal alterna senoidal y que la carga es resistiva. Los dispositivos SCRs y TRIACs son disparados en un tiempo arbitrario en el sentido de bloqueo a conducción. Automáticamente en el cruce por cero de la señal aplicada, estos se desactivan regresando nuevamente a su estado inicial de bloqueo.

Disparo AC
En la figura 7 se muestra un circuito con SCR que permite hacer control sobre un ángulo de conducción de 90° en una señal alterna senoidal.

Figura 7.- Disparo con SCR

El diodo D es utilizado para evitar que variaciones negativas de la señal alterna aplicada lleguen al terminal de compuerta. Mediante el potenciómetro P se ajusta el ángulo de retardo en el disparo del SCR, teniendo en cuenta que este atraso puede ser como máximo 90°. En la figura 8 se muestra un circuito con SCR que permite hacer control sobre un ángulo de conducción de 180° en una señal alterna senoidal. Durante el semiciclo negativo el diodo D conduce presentando una baja impedancia y cortocircuitando prácticamente el potenciómetro P. El condensador debe seguir las variaciones de la señal aplicada, para lo cual debe imponerse la condición de que Xc » Rl. Durante el ciclo positivo el diodo se abre, permitiendo que mediante el potenciómetro P se ajuste la constante de carga del condensador, la cual puede ser manejada en un rango de 180° y de esta forma se adquiera el nivel que permita el disparo del Diodo Shockley y por lo tanto del SCR.

Figura 8.- Control sobre 180 grados


En la figura 9 se muestra un circuito con TRIAC que permite hacer control de 360° en una señal alterna senoidal. El circuito de disparo está conformado por el DIAC, el condensador C, el potenciómetro P y la resistencia R. Los valores resistivos permiten el ajuste de la constante de tiempo de carga del condensador de tal forma que lenta o rápidamente se alcance el nivel de disparo del DIAC y por lo tanto se lleve a conducción el TRIAC. Puesto que el DIAC es un dispositivo bidireccional, valores positivos o negativos desarrollados sobre el condensador harán que este alcance sus niveles de disparo, permitiendo el control de la potencia suministrada a la carga tanto en semiciclos positivos como negativos de la tensión aplicada, obteniendo de esta forma un control de 180° sobre cada semiciclo.


Figura 9.- Circuito de disparo para TRIAC




Figura 10.- Disparo con pulsos

Circuito de disparo con UJT
En la figura 10 se muestra un circuito con SCR que permite mediante la utilización de un UJT hacer control sobre un ángulo de conducción de 180° en una señal alterna senoidal. En la figura 11 se muestra un circuito con TRIAC que permite mediante la utilización de un UJT y un transformador de pulsos hacer control en 360° en una señal alterna senoidal.

Figura 11.- Circuito de disparo para TRIAC

Comentarios:
muy bueno lo publicado sobre los scr y triac,queria preguntarle si tiene un circuito que dispare un scr cuando la tension de red es maximo positivo y desconecte cuando cruza por ceros (220v)desde ya muchas gracias saludo atte walter
 
buen tuto gracias
 
Muy buen articulo, me quito muchas dudas que no especifican en los libros. Saludos
 
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