folleto electronic a de potencia_02

5/11/2018 Folleto Electronic A de Potencia_02 - slidepdf.com

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Electronica Potencia y Aplicaciones Perdidas y Snubbers

PROBLEMA 2: Se controla una carga inductiva de ~y ~on un

~. El ciclo de ~ varia entre 0.1 y@y la frecuencia de operacion

p~er de 8kHz 6 kHz. Encuentre el valor de la resistencia termica del

disipador de calor. La temperatura ambiente varia entre 30 Y~.

Soluci6n: Para satisfacer los requerimientos de corriente y voltaje de la

carga inductiva el MOSFET adecuado es el IRF3415.

VDSS= 150VID = 43 A

De la data del fabric ante tenemos

ROS(on) 0.042 n @ 25°C TJmax~

ReJc = 0.75 °C -> Recs = 0.50 °C-t.-= 55 ns tf= 69 ns

De las condiciones dad as en el problema utilizaremos aquellos valores que

sometan al dispositivo a las peores condiciones de operaci6n.

o T JMax=175 grados,.---------1

RJC=0.75Grados/watt

p tT R =0.5 Grados/watt

CS

R =?SA

__ --oT =42 gradosa

IFigura 1. Analogia entre la R, Vel de un circuito

Electrico con Re, T y PT para el calculo del disipador

Ing. .Abdiel Bolanos FIE-UTP51-




o Perdidas por Conducci6n

P a n =RD S (O n /~D ~ ? ~ o ~ f ( ' -P a n = 0.042· (30r .(0.9)· (2.6)r; =88.45W

EI factor 2.6 se obtiene de la curva normalizada RDSONVS. TJt a

una temperatura de 175°C.

o Perdidas por conmutaci6n .

r, = Valois V r + tf )

r, =90(30X30xl03X55xlO-9 +69xlO-9)

P s = 10.04W

o Potencia TotalPT =Pa n+Ps

PT = 88.45W + 10.04W

PT =98.49W

o Resistencia termica del disipador

RTJ -r,

6 ! S A = - R 8 J C - R o c ;sPT

R =175-42 -0.75-0.58SA 98.49

R8SA = 0.1004°C /W

RasAque acabamos de calcular es el valor maximo que da el tamafio minimo

del disipador. Si RasAhubiera sido negativa se tendria que bajar la Ta 0

disminuir la frecuencia de operaci6n. Si aun asi sigue negativa se procede a

cambiar el transistor.

{

~6 ei''\&

('

PROBLEMA 3: Se desea conmutar una carga de 180 VDCY 37A a una

frecuencia de 10kHz. EI ciclo de trabajo puede ser ajustado entre 0.1 y 0.9. La

temperatura ambiente oscila entre 27 y 42°C.

a) Determine el tamafto minimo del disipador de calor.

b) Disefie el snubber de bloqueo si CS=CSI.

c) Calcule Nuevamente el disipador de calor .:

d) Disefie el snubber de disparo si:

~ VCE=0.4 5V d

~ VC en ltlx = 0.12Vd

Ing. Abdiel Bolanos -52- FIE-UTP




e) Calcule el nuevo Disipador

Soluci6n: Como primer paso verificamos los requerimientos de la carga

para luego seleccionar el dispositivo que vamos a utilizar. Para las

condiciones de la carga de corriente, voltaje y frecuencia-el dispositivo

indicado para este problema es un IG~T-fR~

VCEs~50

Ie = 55 ADe la hoj a de datos

VCE{on)= 1.32V@ 55A TJrnax = 150°C

RSJC = 0.64 °CfW Recs =0.24 °CfW

t,=45 ns @ 150°C tr= 940ns@J50~

PT =43.956W + 65.60W

PT

= 109.557W

TJ -ToR( }SA = - R flfC - R{K;S

PT

R = 150-42 -0.64-0.24( }SA 109.557

b) Diseiie el snubber de bloqueo si CS=CSl

o Parametres del Snubber

C = Ii!SI 2V

d

C _ 37 * 940x10-9

SI - 2 * 180

v .Rs=--

0.210

R _ 180

s-0.2*37

InK. Abdiel Bolanos -53- FIE-UTP




R s = 24.32Q

PRS =~CsV; Is =4(96.6X 10-9X1802XIQX103)

PRs = 15.65W

o Potencia disipada por el IGBT con el snubber de bloqueo , \~

I : p t V -

p _1~t~/s _ (37)2(940xl0-9Y(lOxl03) J J . W J , . - t , } , . . · · CQ - 24Cs , - 24(9.66xlO-s) ~.."v

Po = 5.22W- b ie~ .

Debemos recordar que las perdidas de conmutacion.isin la

utifizacion de Snubbers, estan compuestas por las perdidas en

el disparo y el bloqueo del dispositivo, esto es _ _

'f . ~ ~ -9--P =P + P - P s P s 'RS disparo bloqueo , - ~ + - - z : '= 5

P, " \., _, < 1 ' , . ' ~ . ¥ ~> "1.. .. ,1·,

por ende Pdisparo = Pbloqlleo = :2. ,l..~"" 'PQs"",h '-""

AI colocar el snubber de bloqueo las perdidas de potencia en

el bloqueo cambian, se reducen y estan terminadas por PQ.

Las perdidas en el encendido siguen siendo Pdisporo = -; ya que

no hay snubber de disparo

Ahora el valor de PT qlleda defiI)i~~~;S' L~ t~V ( . o .V - ~ / P~ r I""·

~ p =p 'rt-_ !_+pT ON ~~~ ...J . , . . L 1 0 \ ' 1 " " - '

PT

= 43.956 + 65.60 + 5.222

PT = 81.976W

c) Nuevo Disipador de Calor

Este disipado se calcula utilizando PT

= 81.976W

TJ -r, RR f E A = P - t u c - R o : : s

T

R = 150-42 -0.64-0.24lEA 81.976





L, = 98.51nH

PR

= LsI; I s = 98.5IxIO-9

(37r (lOxI03)

2 2

PR

= O.67W

Jo=37A

e) Calcule el nuevo disipador

. 1I =-"--tc i,

Ing. Abdiel Bolanos FIE-UTP55-



Electronica Paten cia y Aplicaciones Perdidas y Snubbers

PQ = 0.824W

Para el calculo de la nueva PTdebemos considerar los efectos de ambos

Snubbers.

r; = PON + PQdisparo + PQbloqueo

P r = 43.956 + 0.824 + 5.22 = 50W

on

1 '. , - T aR ( J S A = - R m c - RKSr;

R = 150-42 -0.64-0.24( J S A 50.00

R(l)A = 1.28°C / W

PROBLEMASPROPUESTOS

PROBLEMA 1: Se utiliza un MOSFET para conmutar una carga de 24 V Y100A

a una frecuencia de 50kHz. Calcule la potencia total disipada por el transistor.

El ciclo de trabajo varia entre 0.2 y O.S . 1 > ~ ~V",'i-I03 ( t O O ) 1. ( o . ' b . .) ( ~ )

o Perdidas por Conducci6n

Pan = 60.48W

o Perdidas por conmutaci6n

P s =30W

o Potencia TotalP; = 90.48W

PROBLEMA 2: Se utiliza un MOSFET IRF3415 para controlar una carga de 120

V Y33 A. Para controlar la potencia de salida, el ciclo de trabajo del MOSFET

puede ajustarse entre 0.1 y 0.5 Yel usuario puede elegir entre trabajar en modo




Electronica Potencia y Aplicaciones Pirdidas y Snubbers

econornico (fs = 5 kHz) 0modo silencioso (fs = 40 kHz). La temperatura

ambiente en ellugar donde se instalara el control varia entre 28 y 38°C.

Debe considerarse como objetivo de disefio que la fiabilidad del

dispositivo a largo plazo se doble.

a) Calcule la potencia total disipada por el transistor.

b) Calcule el tamafio miriimo para el disipador de calor.

c) Calcule los circuitos de ayuda a la conmutaci6n (snubber) para el

disparo y elf asumiendo que L \.VCE = 0.6VdYque L \.VCemtlx = 0.1Vd

d) Tamafio minimo del disipador de calor considerando los snubber.

e) Determine cual debe ser el disipador a utilizar de la figura mostrada

a continuaci6n.

Heat sink no. 1 2 3 4 5 67 8 9 10 11 12

Resa (OClW) 3.2 2.3 2.2 0 2.1 1.7 1.3 1.3 1.25 1.2 0.8 0.65

Vol . (cm3) 76 99 181 0 198 298 435 675 608 634 695 1311

a.)

P a n = 54.88 W

P s = 19.64W

Ing, Abdiel Bolanos -57- FIE-UTP




PT = 54.88 + 19.64 = 74.52 W

b.] Disipador de calor

ROSA = 0.454°C /W

c.] Snubber de Bloqueo

CS1

= 9.487 nF

PRs = 2.732W

PQ

= O.9108W

s; =18.1SQ

Snubber de Disparo

t., = 120 nH

R L S = O.3636Q

PR=2.6136W

d.) Nuevo Disipador

PQ = 1.742W

RIlSA = O .957 °C /W

e) Seleccion del disipador de calor.

Para seleccionar el disipador solo observe la figura y escoja el disipador con una

resistencia termica ligeramente menor a la obtenida en nuestros calculos.

PROBLEMA 3: La ecuacion 3.7 que define el voltaje en el capacitor del snubber de

bloqueo tambien define el voltaje entre colector y emisor, por que?

PROBLEMA 4: En la figura 3.3 se observa un pico de corriente en la corriente de

colector durante el disparo, a que se debe este,

Zq/08/0~




Electronica Potencia y Aplicaciones Tiristores

TIRISTORES

Los tiristores son dispositivos que se diferencian de los transistores

principalmente por tener cuatro capas basicas en su estructura interna. Estos dispositivos

tambien funcionan de forma diferente, generalmente el disefiador puede controlar su

disparo a traves de una sefial electr6nica de bajo nivel, pero su bloqueo esta determinado

por las corrientes y voltajes en el circuito de potencia.

Entre lo/tiristores mas utilizados estan el ~CR 0 rectificador controlado de silicio,

el *rRIAC 0 triodo de corriente altern a y ~l GTO 0 tiristor de apagado por compuerta.

Estos dispositivos tienen diferentes aplicaciones y rangos de trabajo para la corriente y el

voltaje que pueden manejar.

El objetivo de todos estos dispositivos es controlar la cantidad de energia que le

llega una carga en un tiempo determinado, aunque ocasionalmente se puedan utilizar s6lo

como interruptores para activar 0 desactivar una carga determinada.

En los convertidores de electr6nica de potencl::·:..:m=u:.L-J==-~

los cuales son mas utilizados en circuitos anal6gicos para controlar la energia

a una@n unproc~ indust~al.

El SC ~;::i~~~ ~tili~dbenroSc~~dOresde electr6nic de

potencia, basicamente en los rectificadores trifasicos controlados. Este es el dispositivo

con mayor capacidad de manejo de corriente y voltaje que se puede conseguir.

__ En el caso de que se requiera un intermptor~ro~3.!Jleta_nto en el dispar~ c.0~o)

en el bloqueo Iuede li~ Este es el unico tiristor que permite al disefiador. . . . . ---~~ '- ./

controlar el momenta del bloque Sin embargo, este dispositivo requiere un circuito de

comando muy robusto, pero es una alternativa cuando los valores d~ v~~e corriente

~~~::::::::'~~~=~~~=J::>~~~~~~~""s-'lto~r~e::::s vistos anteriormente.

Ing. Abdiel Bolanos-59- FIE-UTP




Los SCR fueron inventados a finales de 1a decada del 50 por General Electric y

desde entonces han sido utilizados en una infinidad de aplicaciones, en donde se hacia

necesario el control de la energia proporcionada a una carga electrica,

El simbolo y 1acurva caracteristica de salida para un SCR tipico se muestran en la

figura 4.1. El terminal de disparo defrnido como compuerta se identifica por la letra G., '-Y-f:.. I +Este es un dispositivo bidireccional en voltaje y unidireccional en corriente, la cua1 s6lo

~

puede circular de anodo (A) a catodo (C), aunque wnbien presenta el f~n6Il!_e_Qoe

r~eraci6~reversa visto en los diodos. Este dispositivo normalmente se dispara

- -mediante un pulso de corriente de puerta de magnitud y duraci6n apropiadas. Para esto

debe conseguirse la aplicaci6n de un voltaje determinado entre el terminal de compuerta

VAK (~el terminal de catodo. J r " \ } " " . \ ) I - r:.:1. A I J . ' > eo - ~,r--/~.,..--- r/-, (' ''\

Z : _ _ V A v . . tc?~~ ~"LLf)~~-tt..I'Atl,;(Jl~----1~-Aunque no sea el prop6sito del disefiador, eLd~~P2Ji!j;;Q_~..E.isarara siel ~~. e

entre a_QQ®y c:g_S~ SUP~l~=- ~ p~~'~ c~~ no se requ~e_~~i-;~te _,..de

c..Q!p_j)uelia. En este caso la corriente por e1 dispositivo depende s6lo de la carga.Tambien puede dispararse el dispositivo si e1_vg~taje...J?~.sado eD,.~,."an029 y...GfrtQdo

_~n~~ a un~c09-bYe1%d~~que la permitida por el fabriCant~..2S

Despues que el is ositivo comienza a ~~ se wantendra en este estado__ ---------~- - T~ -

mientras que su ~nl,e ~ ~aig~r ~~} de un valor denominado corriente de

mantenimiento (IH). Debido a esto, los SCR son muy utilizados en circuitos de corriente- __ '- -- -;;r ,.u

---c.-. - ~ ralterna, porque al final de cada semiciclo la corriente se extingu~ y el voltaje eIL&

cl.iwositivo se invierte llevandolo al estado de corte. AI principio del pr6ximo semiciclo

positivo debe aplicarse nuevamente un pulso de disparo con un retado igual 0 diferente al

usado en el ciclo anterior. En circuitos de corrien e directa debe haber un circuito~ - ~ ~=- ==-=-=--==--=.::.:..;::.;;;,;,;;,,;;_

~a;Para poner en co ir la polaridad del voltaje aplicado al dispositivo.-_/ ~~ .

Esta condici6n hace que los SCR sean menos utilizados en circuitos de corriente directa.





Compuerta

) j_ Jl~.)~~ } _ a = r~Cr2.

A

Anodo Catodo

, K

Forward blocking

state

Figura 4.1. Simbolo del SCR Ycurva caracteristica de salida.

Es importante seiialar que al adquirir un SCR su voltaje VDRM 0 VBO debe ser

mayor al voltaje maximo de la aplicacion, Por ejemplo, si se utilizara el SCR en unI '2CllJ!.f2,)

circuito de 120Vrms, se debe considerar que el voltaje maximo es de 169.7V, por 10

que el SCR debe ser por 10 menos de 200V.

En la figura 4.2 se muestra un diagrama de la estructura interna del un SCR,

puede notarse su construcci6n vertical de anodo a catodo

Gate Cathode

.' 50-1000 ,.m

Anode

Figura 4.2 Secci6n transversal vertical de un SCR.

Ing, Abdiel Bolaiios -61-FIE-UTP




En terminos de sus dimensiones laterales los tiristores estan entre los

semiconductores mas grandes fabricados en la actualidad. Su secci6n transversal se

parece a la del BJT de potencia, aun considerando el grosor y la densidad de impurezas

de sus capas. La reg!Qn n- actua igual que en el transistor, p~t~dol~:L~SR sOj?<;,.rtar

grandes voltajes cuando esta apagado. La capa pen el anode del SCR es la que hace que--7"~~f>~~~~' --=-- .el mismo se comporte de forma diferente al BJT de potencia.

-:::= ~os @ctaunteIi6meno p~~ecidg al que se presenta en los ~iodos con el ,

~mpo de rec~perac16n r~v§:'§) AI ap~ar el' dispositivo polariza.ndol~_in~ersamente, se"* ~tgenera una ~ente de recuperaci6n reversa Irr, durante un tiem 0 identificado como

.su: Esto obliga al disefiador a~o aplicar un voltaje direct~ hasta que no hay~

transcurrido un tiem 0 conocido de recobro (tq), caso contrario el

dispositivo volvera a conducir.

. '

o¥~-hJ ~~~: ,-"c1 ) ' ) < ' - - _ , t ~ ~

~ t q l > ~

Fuente de

Figura 4.3 Circuito resistivo para el disparo de SCR.

Con el circuito anterior se puede variar el momenta en que se aplican los val ores \ . ~ L

. ) C tt)o.· f l 4 ' "de corriente y voltaje de compuerta necesarios para la conducci6n del SCR (lGT , VGT ). I k S

. r: .i. : ,,' -' I L " \ : , 10 - r

Esto se consigue mediante la variaci6n de R 2. C £ r - , c : x . ( ' r ; ' " :t' l (. c"" -r)I

--r;.El tiempo transcurrido desde el cruce por cero de la sefial de voltaje de corriente

altema y el momenta en que se da la corriente necesaria para la conducci6n, se conoce

como dngulo de disparo y nonnalmente se denota con la letra griega a. Para el circuito





mostrado en la figura 4.3, a s6lo puede ser aumentado hasta un limite de 90°, mas alla de

este valor no se tiene control sobre el angulo de disparo.

Pregunta:

I~xPli.que por que razon no se pueden conseguir angulos de disparo mayores con este Icircuito. .

../

(a) (b)

Figura 4.4. Angulos de disparo diferentes para el circuito de disparo anterior. EI valor

de R 2 para el caso a) es mayor que el valor utilizado para el caso b).

1 ! ~ 4 t : 4 S · d 'I d d· 90° db' T ..~~\. 1 se esean angu OS e isparo mayores a se e era uti izar un circurto como

/,~}P( el de la figura 4.5, donde se utiliza lU1 capacitor para retrasar [a subida del voltajeI I ' "

~ aplicado a la compuerta del dispositivo, y la 'corriente de cornpuerta es controlada por el

resistor R3 .. En la figura 4.5 b se consigue lU1 mayor retraso debido al doble RC.

En la practica estos circuitos no se analizan en detalle sino de forma aproximada.

Por ejemplo, para el calculo de la primera constante de tiempo RIC, se utiliza un valor~

pequefio, en el caso de una serial de 60Hz, puede estar entre 1 y~ Para la segt~a

constante de tiempq (R1+R2)C e utiliza un valor mayor que el periodo de la sefial en

cuesti6n, por ejempl~20ms. Para el caso de la tercera constante de tie~se

utiliza un valor algo superior a la primera constante de tiempo, tal vez, 4ms. Con estos

valores se procede a armar el circuito y de forma empirica se hacen los ajustes necesarios. )

Ing. Abdiel Bolafios -63- FIE-UTP



.. '.\~1"./ \

.-»:. . . . . . . . . . ,. . . . . . ~ .

\ > - w " "

Electronica Potencia y Aplicaciones Tiristores' qD "~ __ ~________________________________________________ r~

~ : t ' . : - - ' ) 1 t,? " , / J f J

i

/ I . . • . l » 1 "J - f ~"l

I

~ 1 L ucarga

.__l_

(b)

Figura 4.5 Circuitos de control de compuerta para SCR, con los cuales se puedenconseguir angulos mayores que 90°.

En la figura 4.6 se muestra un circuito con dos SCR, el cual permite utilizar

ambos semiciclos de la sefial de voltaje de corriente altema. En la parte b) se observa la

forma de onda rectificada y el angulo de disparo. En esta figura no se hace enfasis en el

circuito de control del angulo de disparo, pero este puede ser similar a los mostrados

anteriormente 0puede ser algo mas complejo, inclusive puede ser una sefial generada par

un microcontrolador y aplicada al SCR a traves de un optoacoplador.

NOTA:

La mayoria de los circuitos de control para los SCR y TRIAC permite el control del

angulo de disparo entre 30 y 150°, 10que a primera vista puede parecer el resultado

de un control con poca precision, al pensar que no se tiene control sobre un tercio de

la sefial total (180°). Ahora bien, si se piensa en el objetivo del circuito, que es

controlar la potencia aplicada a la carga y se recuerda que la potencia es funcion del

cuadrado del voltaje, se tendra una situacion muy particular. La onda de voltaje es

senoidal y si se grafica el sen02se tendra que la potencia aplicada a la carga es

proporcional al area bajo esta curva. Durante los primeros 30 y los ultimos 30

grados de la sefial seno", el area bajo la curva es realmente minima, menor al 5%,





al no hacer uso de estos I (n gran desperdicio de energia

< " ' \ ' 1 .-- A/

I L~

7 ',r S(I(t

Fuente "Vde ca

.e:

Carga

-cr(a)

Figura 4.6

(b)

L. +t

Control de potencia rectificada de onda completa, usando dos SCR y un

transformador con derivacion central.

Hojas de datos

A continuaci6n se presentara informaci6n sobre el SCR SORIA de International

Rectifier, el cual puede manejar hasta 50 A y tierie un tiempo de bloqueo de 11Ous

soportando un amplio rango de voltajes, dependiendo del dispositivo.

Ing. 'Abdiel Bolanos FIE-UTP65-




SORIAParameters

10 to 120 140 to 160Units

I:'~~\r:'5C 50 A

:~ Tc ~4 90 'C

1 " , 1 > _ , , , ; 9C 80 A

I~M '~'5C~z 1430 1200 A

@50Hz 1490 1257 .I~ ~·5Cl-:z 10.18 7.21 KA2

s

@50Hz 9.30 6.58 KA2s

t~(~~V DR .J .' V R F iJ J I

1[00 to i200 1400 to ieee V

1 q :ypicJI 110 I1s

rJJ J , } J r . v -T.I - 40:0 125 'C

!"\

tr..

Case Style

TO-20S.A.C (TO-65)

Entre las principales caracteristicas de disparo relacionadas a la compuerta

tenemos las relacionada con las corriente 1 G T y el voltaje VGT.

(p,'v'kt ~ a b , I ~ 1~) t) i ; r / ;

~

~lPp '~ ..

,a&

• =t:T ,T-l. ~~ i~~-, t )

"- . . . . - p - . W \ ; . . ,~

"~TDC gai.. C"r::ni required 2!IO T

J=-40'C

10 trigger 100 rn A T 25°CMax. r~quir~d gale tr igger

=currant/vc hag e are the

60 T = 125·C .c'lles~ ,,"":t;e1lhicnwilltr:gga-- - units 6V anode-to-cathode

l/uT DC g.3ie '10 iage required 3.5 T; = - 4O'Capplied

10 trigger z .e V T = 25°C-

En las curvas adjuntas se muestra

la relaci6n entre la corriente de anode y

el voltaje anodo-catodo. Como puede

verse el voltaje aumenta de forma lineal

hasta aproximadamente los 100A. Sin

embargo, debe recordarse que este es un

dispositivo de S O A, valor para el cualla

caida de voltaje es de s6lo 1.3V.

Tampoco debe olvidarse que este

dispositivo puede llegar a conducir mas

de 1000 A de forma mornentanea.

1000

7c=~7

j,V

Ifr (

'L..- l---- J = 25°C

I I ~ J ='125°C

1 /50RlA Series (IOOVto -1200V)-

1 I I I I I

100

1

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Instantaneous Or-state Voltage M

InK.Abdiel Bolanos FIE-UTP66-




A continuaci6n se presentaran resumenes de hojas de datos para que el lector

pueda comparar los parametros de SCR's de diferentes capacidades.

ST180C

Caracteristicas

Compuerta con arnplificaci6n central

Encapsulado metalico con aislante

ceramico

Aplicaciones

Control de motores DC

Fuentes de energia DC

Controladores AC

J. .

case style TO-200AB (A-PUK)

ST3230C

Caracteristicas

Enfriamiento de doble lado

Alta capacidad contra transitorios

Libre de fatiga

Aplicaciones tipicas

Control de motores DC

Fuentes de energia DC

Controladores AC

(R-PUK)

Parameters ST180C ..C Units

ITfA'f) 350 A

@T 5 5 °chs

IT(RMS) 660 A

e Ths

25 -c

ITSM

@50Hz 5000 A

1 a· 60Hz 5230 A. . . . t . . . . J . . , . I . . . . " }\_I..~r'''' t-

12t @50Hz 125 KA2s

e 60Hz 114 KA2s

VDRP,/VRRM 400 to 2000 V

tq typical 100 f-Is

TJ - 40 to 125 ·'C

-

Parameters ST3230C .. R Units

I n . .\ ') 2785 A

@Tc 00 ·'C

IT(b.\I) 3360 A

@ Th8 55 °C

'TIFlM:3)5970 A

@ ThS 25 °C

'T9A@50Hz 61200 A

@60Hz 64000 A

12t @50Hz 18730 K A 2 s

@60Hz 17000 K A 2 s

"ORP/VRRM 1000 to 1800 V

tq typical 5:)0 ~s

TJ max. 125 °C





\c: Jr.~ ~"4.. b

4.2 TIRISTOR DE APAGADO POR COMPUERT ~TO (VRh,t. "-~~6U>- ~ } W L 1> - L _C c . - v ~ t )

En varios aspectos, los tiristores estan cerca de ser los interruptores ideales parausarse en las aplicaciones de electr6nica de potencia. Ellos pueden bloquear altos

voltajes (varios miles de volts) cuando estan apagados y pueden conducir grandes

corrientes (varios miles de amperes) cuando estan encendidos, con Una caida de voltaje

de s6lo unos cuantos volts. Ademas, una de sus mejores caracteristicas es que pueden ser

disparados con una pequefia corriente que se aplica a su terminal de compuerta.- - - -

Sin embargo, los tiristores tienen una seria deficiencia, la cual impide su uso

como interruptores controlables; esta es la incapacidad de bloquear al dispositivo

mediante la aplicaci6n de una sefial de control en su terminal de compuerta. La inclusi6n

de esta capacidad en un tiristor requiere de algunas modificaciones al dispositivo y de

algunos compromisos que deben cumplirse para la operaci6n del mismo.

Gatemetallization Cathode

M e ta l c a th od e

c on ta ct p la te

J

n

Anode

Figura 4.7





El GTO mantiene la estructura basica de cuatro capas y los perfiles de dopaje del

SCR, pero presenta tres diferencias fundamentales. Primero, la estructura catodo-

compuerta esta altamente interdigitalizada, donde se usan varios tipos de formas

geometricas entre el catodo y 1a compuerta, con el fin de maximizar la peri feria del

catodo y minimizar la distancia de la compuerta al centro de la region del catodo.

Segundo, la region del catodo normalmente termina en islas, que en el momenta

del encapsulado hacen contacto con el metal del disipador de calor, creando asi la

conexi on con el mundo exterior. Tercero, la mayor diferencia aparece en la region del

anodo. A interval os reguladores, regiones de material semiconductor n+ penetran en la

region de catodo p+. Las regiones n+ hacen contacto directo con el metal del anode, por

10cual se Haman dnodo en corto. Estas estructuras tienen como proposito incrementar la

velocidad de apagado del GTO.

Las curvas caracteristicas del GTO son muy similares a las del SCR en

polarizacion directa, sin embargo, en polarizacion inversa los GTO practicamente no

poseen capacidad de bloqueo de voltaje, gracias a la estructura conocida como anodo en

corto. La capacidad de bloqueo de los GTO se define por la union 13 y esta limitada a 20

o 30Y, por este motivo algunos GTO se fabrican sin la estructura conocida como anodo

en corto. Si es necesario aumentar la capacidad del bloqueo del circuito, puede usarse un

diodo en serie con el GTO, con 10cua1 se cubre su deficiencia.

4.2.1 CONMUTACION DEL GTO.

Los GTO son muy utiles cuando los otros interruptores controlables no pueden

manejar la potencia requerida por la carga, sin embargo el uti1izarlos no es 10 mas facil

que pueda encontrarse en electronica de potencia. Estos dispositivos tienen

amplificaciones de corriente diferentes para el disparo y el bloqueo, siendo mucho mas

sensib1es a la hora del disparo, y presentando limites en las corrientes que pueden ser

bloqueadas.

Ing. Abdiel Bolanos-69-

FIE-UTP




En 1aFigura 4.8 se presenta un cireuito para e1disparo de un GTO en el que puede

observarse la complejidad de los requerirnientos. Este eircuito se puede deseribir de 1a

siguiente manera:

1. Se neeesita de un pulso e1evado de corriente para disparar el dispositivo, por 10

eua1 se manda un pu1so de corriente a 1abase de TG2 YTGI .

2. Luego de disparado e1dispositivo debe mantenerse un cierto nive1 de corriente en

1acompuerta, con si fuera un BJT. E1 problema reside en que si 1a corriente de

anodo disminuye demasiado debido a 1a earga, a1gunas de las is1as del catodo

dejaran de eondueir, sin embargo, si 1a carga aumenta repentinamente , las islas

que quedaron eondueiendo manejaran toda 1a carga, 10 que puede exeeder sus

espeeificaciones, destruyendo e1dispositivo.

3. Para el bloqueo se utiliza un MOSFET e potencia. Debido a que la ganancia de

bloqueo es menor (tipicamente 5 0menos), la eorriente neeesaria para el bloqueo

sera mucho mayor que 1a corriente neeesaria para el disparo. Utilizando un

MOSFET de poteneia se tendran menos perdidas ya que se trabaja a voltajes

reducidos.

Debido a 1a complejidad necesana para el control de la compuerta, este

dispositivo es utilizado casi exclusivamente para niveles de medias potencias. Tambien

es irnportante ac1arar que debe utilizarse snubber de bloqueo con los GTO, tal como se

muestra en la figura 4.8.

4.3 TRIODO DE CORRIENTE ALTERNA - TRIAC ~G"""~"V\ ~± ~~.~~ti. c . K : r 1 + ~c. .~(, , , \h .~ '

Los TRIAC's son dispositivos semiconductores disefiados para el control de la

energia que se Ie suministra a una carga determinada para la realizaci6n de un trabajo.

Este control se logra, en principio, de 1amisma forma como se hace con los SCR, con la

salvedad de que el dispositivo de control de compuerta debe generar pulsos de disparo

tanto en el semiciclo positivo como en el negativo.





G) R s « R " "'? v0<' \ f c ; , G =/S V

R s , = , l~" ==+.sp._k::= ISV :1_SSl.

2A lOA 02.5

,

' ".'/Turn-off

r pulse

IIL _j

Figura 4.8

+

VOG-

Circuito de control de la compuerta para un Tiristor de bloqueo por

compuerta - GTO.

Estos dispositivos son bidireccionales en corriente y en voltaje y su curva

caracteristica es la mostrada en la figura 4.9. Para este dispositivo los parametros en

directa y en reversa tienen basicamente las mismas funciones y caracteristicas. Si se

supera el voltaje VDRM 0 el voltaje VRRM el dispositivo entrara en conducci6n. Si la

corriente de anodo disminuye por debajo de la corriente de mantenimiento 11-1el

dispositivo se apagara. A diferencia de los SCR,' si el voltaje entre los terminales

principales MT2 y MTI es negativo y sobre pasa el valor de VRRM el dispositivo no se

destruira.

Ing. .Abdiel Bolaiios -71- FIE-UTP




+ Current

00 state

Quadrant 1

MainTeffi1inal2 +

IRRM at \.,iRRM

-~------

Quadrant3 V IH~

MainTemlinal2 - 'TM1 .

off state + 'Voltage

IORM at VCRM

Figura 4.9 Curva caracteristica I-V para el TRIAC.

A diferencia del SCR, el TRIAC soporta corrientes de compuerta negativas, sin

embargo, estas corrientes negativas no tienen el objetivo, como en el caso del GTO, de

apagar el dispositivo. Tanto las corrientes positivas como las negativas en la compuerta,

tienen el mismo prop6sito, disparar al TRIAC. Las polaridades entre los terminales

principales y entre la compuerta y terminal principal 1 pueden ser dependientes 0 no, esto

guarda estrecha relaci6n con el tipo de circuito utilizado para el control de la compuerta.

En la figura 4.10 se muestran los cuatro posibles cuadrantes de disparo para el

TRIAC, pero debido a que la estructura semiconductora del TRIAC no es totalmente

simetrica, estos cuadrantes no tienen la misma sensibilidad. EI primer cuadrante es el

mas sensible de todos, mientras que la sensibilidad del segundo y tercer cuadrante es muy

similar y el cuarto cuadrante es el menos sensible.

Para evitar que la sensibilidad de disparo para el semiciclo positivo y negativo sea

diferente se prefiere utilizar una fuente de voltaje negativo, cuando la polaridad de la

corriente de disparo no depende de la polaridad de los terminales principales, 0 sea,

cuando la fuente de disparo es independiente.

Inf(. Abdiel Bolanos -72- FIE-UTP




/

\'-:'~G~'i"nGATE

ta

/ C.lJ3!lrant II

8. ~3n<- S _ 1'20'

l.' C . . . .. . .. . c ;. - .; ;.

)rk~~~A- ~~~

(

~...1)_

La. L : : ,

(t-) 1/1"2 J'rr-~:/ f;.l-r~ t

' : ~ . : I . Quadrant I,,,,

T+= t» 111 -

cuaorsot III

"-'~'~-T(-:JCl

. ''''C... .TE

MTl

// H\112

" \~~TGAr: : -r;

--jb. MT~

ouacrantrv

j""~.=F

Figura 4.10 Cuadrantes de disparo para el TRIAC. EI primer cuadrante es el mas

sensible y el cuarto es el menos sensible.

Hojas de datos

A continuaci6n se presentan algunas de las caracteristicas del TRIAC MAC16D

de Motorola. Ademas de los valores maximos se presentan sus caracteristicas de

compuerta (lGT, VGT) en funcion de la temperatura de juntura. Este es un dispositivo con

capacidad para manejar una corriente rms de 16A y una corriente maxima no-repetitiva

de 150A durante un ciclo completo de una sefial de 60Hz. Se puede obtener para 400,

600 y 800V. La potencia promedio disipada por la compuerta es de 0.5W y en rango de

operacion de la temperatura de la juntura esta definido por -40 y 125°C.

En las caracteristicas de disparo mostradas se observa que para el pnmer

cuadrante s6lo se requieren 16mA, mientras que para el segundo cuadrante se requieren

18mA y para el tercer cuadrante 22mA. Para este dispositivo 1a corriente de

mantenimiento es de 20mA.




Electronica Palencia y Aplicaciones Tiristores

TRIACS

16 AMPERES RMS400 thru 800 VOLTS

MTl

4

TO-22MB

CASE 221A

S TYL E ~

Rating Symbol Value Unit

Peak Re!}e nive Of. -Sia\e · .. .' lage(1) 'iDRM, ':'olls

(T J = -40 to 125iC, Sine 'Nave, VRRM

50 o 60 Hz. Gate Opel)

MAC-tSO 400

MAC16M B O D

MAC16N B O D

On-State RMS Current IT{RMS) is An1p5

(Futl Cyc.e Sine ', .... ve, ED Hz,

TC =8{l"C)

Peak Non-Repetitive Surge Current ITSM 150 Amps

{One Full Cycle Sine '/Vave, ED Hz,

TJ = 125"C)

Circuit Fusil g Consideration 1 2 t 93 jl2sec

( = 8.3 rrs}

Peak Gate Po' . ...er PGM 20 ' J 1 : a t t s

(Pulse '/'/idth:o: 1.0 us, TC = .90°C)

Average Gate Power PG(AV) 0.5 'Nat!(t = 8.3 015, Te = 50'C)

Opera :ng Junct ion Temperature Range TJ -4Dto -c+125

Storage Temperature Range Tstg -4010 "C

+150

~W'.JJ_\J..

Ch a racteris tic Symbol Min Typ. . . -

Max Unit

Gate Trigger Curren: (Cor.t.nuous de) (VO = 12 V. RL = 100 0.) IGT ~ mA

MT2(+). G(+} 10 1 1 3 &I

MT2(+). G(-) 10 18 toMT2(-j. G(-) 10 22 so

Holding Current IH - 20 e o mA

(YD = 12 V. Gate Ope", I"i:iating Current = ±150 rnA)

En las siguientes curvas se muestra como la temperatura de la juntura afecta los

parametres de disparo (VGT, IGT). Al aumentar la temperatura se requiere menos voltaje y

menos corriente de compuerta.

100

;;(

§.!-Z

UJ0::0::= >U

0::UJ<.:)

(!)

~~<.<.:)

t

r = = : : =~

r--t- OJ

-r--I----

-t--

-- -i-- .._t-

01 --- -.;::::

'10=11V -

RL=1000 -

1 1--

I" "0= 12V -

. . . . . . . . . . . " RL= loofl_

< . . . . . .

" " "--. ~~__, ~

V03 -f--

I:>- ~ c-,02 . . . . . . . .

1--..'~

" ' " ~"" F : : : ; :

1--10 - 10 ~ .0 00

TJ , JU tl CT ION TEf .l PERAlURE rq

110 125 -10 +20 50 00

T J' J U NCT ION TEMPERAl URE rq

110 125





En la curva adjunta se observa 41)

como la corriente de mantenimiento~

tambien se ve afectada por la tempe- !z. . . . ,

ratura de juntura. Puede observarse ~=:)

u

tambien que la corriente de mante- d: : : c

nimiento no es la misma para ambos _;J:

: : ~ : - t ~ : ,~ ~ I , . .c",.s .- . -~ -" '\.._

semiciclos, necesitandose menos

I " ' "-,~- .<,r-, M T 2 p a s f T l V E

<, "'i..' - . . . ." ,T 2 N E G A TIV E . - ~

-.r - - - . . . . . ; - - . . . . _

. . . . . . . _ _ _ - - , _ _ _r--- - - ----"10 20 50 80

T . I , J U N C T IO N T E M P E R A T U R E (C)

110 12;,corriente en el semiciclo negativo.5_

40

En la figura 4.11c se muestra el efecto resultante de disparar el TRIAC con un

circuito RC, el cual trabaja normalmente en el primer y tercer cuadrante, los cuales tienen

sensibilidad diferente. Al tener el primer cuadrante mayor sensibilidad su angulo de

disparo es menor. Esto puede ocasionar un parpadeo en la carga y esta es de tipo

luminica. Para mejorar esto se pueden utilizar algunos dispositivos, conocidos como

dispositivo de transici6n conductiva.

4.4 DISPOSITIVOS DE TRANSICION CONDUCTIVA UTILIZADOS PARA EL

DISPARO DE TIRISTORES

++Cuando se utilizan circuitos analogos para el disparo de tiristores el objetivo es

generar un retardo para obtener el angulo de disparo deseado. Este retardo se puede

generar mediante una red RC como se a mostrado, 0 mediante un circuito algo mas

complejo llamado oscilador de relajaci6n. Para la construcci6n de estos osciladores se

utilizan normal mente dos pequefios transistores; el Transistor de Unijuntura y el

Transistor de Unijuntura Programable. En los pr6ximos puntos se analizaran estos

dispositivos, asi como algunos circuitos de aplicaci6n.

InK.Abdiel Bolanos -75- FIE-UTP




VM12-M11Angulo de

eondueei6n

= 1500

. Angulo de

I A~~ \ f J f _ i) l/~ C

I A ,

. - .

(a) (b)

VMTl-MJl

(e)

Figura 4.11 Disparo de un TRIAC. A)Angulo de disparo de 30° y angulo de conduccion

de 150°, b)A.ngulo de disparo de 120° y angulo de conduccion de 60°,

c)Angulos de disparo diferente, ocurre normalmente cuando se utiliza un

arreglo RC para el disparo del TRIAC.

4.4.1 TRANSISTOR DE UNIJUNTURA - UJT ((1(1' If) f , t - i , ) . ' SC\L"'\~\Xr

El transistor de unijuntura es un dispositivo de tres terminales denominados base 1

(B I), base 2 (B2) y emisor (E), y se utiliza tipicamente en un circuito llarnado oscilador

de relajacion, cuyo objetivo es el disparo de tirstores, tales como SCR y TRIAC.





Operativamente los terminales del UJT no tienen ninguna relaci6n con los terminales de

un transistor bipolar.

El simbolo, modelo y curva caracteristica del UJT se muestran en la figura 4.12.

En el modelo se puede observar que no existe ningunajuntura entre B2 y B ], por 10 tanto

el semiconductor se comporta de forma resistiva entre estos terminales. El valor de esta

resistencia cornunmente oscila entre 6 y l Okf).

EI funcionamiento de este dispositivo es el siguiente: cuando se aplica un voltaje

entre las bases se define un voltaje en el catodo del diodo el cual podria ser calculado por

divisor de voltaje, si se conoce el valor de ambas resistencias. Mientras el voltaje en el

emisor (el anodo del diodo) sea menor que el voltaje en el catodo, el dispositivo no

conducira-. Cuando el voltaje en el emisor sea mayor que el voitaje en el catodo mas el

voltaje de umbral del diodo (O.6V tipicarnente), el dispositivo cornenzara a conducir; a

este voltaje se le conoce como voltaje pico (Vp). Los porta dores de carga que ingresan a

la regi6n de la base 1, disrninuiran su resistencia electrica y el voltaje en el dispositivo

caera rapidarnente hasta llegar al valor conocido como voltaje valle (Vv). En este

momenta si la corriente que atraviesa el emisor es mayor que la corriente valle Iv, eldispositivo continuara conduciendo, si la corriente es menor el dispositivo se apagara.

A partir del modelo del UJT, se puede definir la relaci6n intrinseca en funci6n de

sus resistencia intemas. A partir de este valor se puede definir el valor del voltaje pica

para el cual el dispositivo conducira,

(4.1)

1 7 = _-,rB~I __ rBI (4.2)

(4.3)





Figura 4.12. Simbolo, modelo y curva caracteristica del VIT.

E

o ~Ernisor

A continuaci6n se muestran las caracteristicas principales del UJT NTE6400,

donde se puede observar su relaci6n intrinseca, su resistencia de interbase y los valores

de las corrientes de pica y valle. Observese que para la corriente pico s6lo se muestra el

valor maximo, esto se debe a que esta corriente se utiliza para el calculo de la resistencia

maxima que puede utilizarse en el emisor para un oscilador de relajaci6n. N6tese

tarnbien que para la corriente de valle s6lo se define el valor minirno utilizado para el

calculo del valor rninimo de la resistencia de emisor. Otros valores podrian llevar a

definir rangos para Re, para los cuales el dispositivo puede muy bien dejar de oscilar. (SU'TtiA(_)~

C~~AC_ -.\1",,, 'l(G ~~..

NTE6400 C ' I \.,C I(1 P c . . . ' l . ~ h . ' V t..».cl,.'I,U '"' . . . . . . . _ <

\ r I \

'1 ~ +~r'arameter Symbol Test Conditions Min Typ Max Unit

Intrinsic Standoff Ratio C0 VSB - 10V, Note 1

NTE6400 0.4 - 0_80

NTE6400A 54 - 0_67Interbase Resistance RSBO VSB - 3V, IE - 0, Note 1 4 - 12 kn

Modulated Interbase Current IS2(MOD) VSB = 10V, IE = 50mA 6_8 - 30 mA

Emitter Reverse Current lEO VS2E = 30V, IS1 = 0 .llANTE6400 - - 12

NTE6400A - - 1~,Peak Point Emitter Current ~ VSB - 25V - - 25 ~IA

Valley Point Current Cv VSB - 20V, RS2 - 100n 8 - - mA

Base-One Peak Pulse Voltage VOB1 3 - - V




Electronica Potencia y AI!Jicaciones Tiristores

En la figura 4.13 se muestra el circuito y las formas de onda de un oscilador de

relajaci6n con UJT. La salida de este circuito esta en la base 1, punto que puede ser

utilizado para el disparo de un SCR 0TRlAC. En este circuito el capacitor se cargara de

la fuente DC a traves de la resistencia RE. Cuando el voltaje de ~r alcance el valor

de Vp el dispositivo empezara a conducir, siempre que la corriente que pasa por RE sea

mayor que la corriente pico, caso contrario el capacitor continuara cargandose hasta

llegar a Vs y el circuito no oscilara.

De 1 0 anterior se desprende que RE tiene un valor maximo que esta definido por

V p , Ip y Vs. esta relaci6n puede observarse en la siguiente ecuaci6n.

y" --- -. .\ I . 1/" ' \ ~ ~ R < L , . . , i " , k1 2 < " , " , , , =oe _.vo.o{_ ~-~ ~".;'"

~ (R = Vs - VI' 1/ P - ' I " C l ( ~ d..:d (4 4)JJov 1QA .v 1 o . - . . - < - t \ E _max 1/" ';P' -7·

~-t~cL( ''''~ .. ___,~~1. . J _ J ~ . . "C '

....,bvM ~ • _-- .I.,h""'11~\r....

Cuando el UJT conduce, su voltaje decae rapidamente hasta alcanzar el valor de

Vv . Es en est a etapa de la operaci6n del circuito que el capacitor se descarga,

produciendose un pico de corriente en el emisor. Dependiendo de la carga acumulada en

el capacitor el proceso de descarga durara mas 0 menos, pero siempre sera mucho menor

que el periodo de carga, debido precisamente a su constante de tiempo. El valor del~--- .

~la resistencia RJ ubira rapidamente hasta un valor cercano a~-Vv, y decaera

con la velocidad que 1 0 haga el voltaje en el capacitor.

Cuando la carga del capacitor se agota, la corriente del emisor sera igual a la

corriente que atraviesa la resistencia RE, si esta es menor que la corriente de valle el

transistor se apagara, si es mayor que la corriente de valle el transistor continuara

conduciendo. Para que el circuito oscile es necesario que el transistor se apague al Uegar

al voltaje de valle, es por esto que la resistencia de emisor tambien tiene un limite inferior

el cual esta definido por la siguiente ecuaci6n.





(4.5)

Para definir el valor de R. debe considerarse la forma de onda del voltaje en esta

resistencia, en la cual se generan picos de voltaje en el momenta que el UJT conduce, y

pennanece un voltaje residual cuando el mismo esta apagado. Los tiristores solo deben

ser disparados por lo~ picos de voltaje y nunca por sefiales de ruido que se sumen al

voltaje residual. Por esta razon el voltaje residual debe mantenerse alrededor de O.3V,

algo alejado del voltaje de disparo de los tiristores (O.6V). Si se considera que los

voltajes tfpicos en estos circuitos, as! como los valores de resistencia interbase, se tendra

como resultado una corriente en R, cercana a los 3mA. Para que el voltaje en R, no

supere los 0.3V, dicha resistencia no debe superar los 100ft

En la figura 4.13 se observa un oscilador de relajacion con UJT utilizado para el

comando della compuerta de un SCR. Debe considerarse que aunque el SCR es

bidireccional en voltaje, el UJT no funciona para voltajes negativos, motivo por el cual se

utiliza un diodo zener.

Ejemplo de aplicaci6n

EI funcionamiento del circuito de la figura 4.13 puede describirse de la siguiente forma:

1. Durante el semiciclo positivo el voltaje de entrada aumenta rapidamente hast a

alcanzar el valor del voltaje zener.

2. En este momenta el zener fija el voltaje para el circuito de oscilacion y la

resistencia Rd soporta el voltaje excedente.

3. EI capacitor CE se carga a ' traves de las resistencia de emisor, esta carga durara

mas 0menos, dependiendo de los valores fijados en las resistencias.

4. Cuando el voltaje en el capacitor alcance el valor de Vp el UJT conducira y el

capacitor se descargara a traves del UJT.

5. Durante la descarga del capacitor se presentara un pica de voltaje en RI. Dicho

voltaje sera utilizado para el disparo del SCR.

InK_Abdiel Bolanos -80- FIE-UTP




funcionara durante este intervalo de tiempo. O b I > " (P J61 . : r , , : : : q M > . A~:: c.( 1.)" :.3";

Tp:: 2 v . . p . .

6. La variaci6n del resistor REV cambiara la constante de tiempo de carga del

capacitor, cambiando asi el angulo de disparo del SCR y la potencia que Ie llega a

la carga en cada semiciclo.

7. Una vez disparado el SCR, el voltaje aplicado al oscilador de relajaci6n caera a un

par de volts, el voltaje de conducci6n del SCR, y el circuito no volvera a oscilar.

8. Durante el semiciclo negativo, el zener conducira, aplicando un voltaje de

aproximadamente -O.7V al oscilador de relajaci6n, por 1 0 tanto, este circuito no

I ' !__ .....-I'UJ\ " ' , - , , · k - " o - S~nSC R f .

R E ~ ; -s- . _ J ~ _ \ I 1 / . ,. 2c-3 =\E T~ ct""A

-, (RI!_ I~06111 .~~E~I1If"'" ';'I()~)L

(" -....____::__....... v p co'1.iJs t-\I06-__ ___:= --_+-_+\.....J.. ...- \/, ",0. <.(t.o)to.(. '" 12..4v

<t ~ -- ~-- 1~M:":.\I~= Z6-11.<' ",: ;.1

" • ~~ ~pAUso de un oscilador de relajacio on UJT para el disparo de un SCR en los ~--

I In 'I + \ J d j 1 . f" ; \) < z ~ ~ ~ " 'V . ." , ;. .semiciclos positivos. r ( ) . . . . v , . . 1 1 . ~ . . . . . . , . J y • .'t /'>" E l f ! > v p ~ ~ -:ilo;j.9--

~""j:;::'.'>.> >1

=.4.2 TRANSISTOR DE UNIJUNTURA PROGRAMABLE - PUT C € : : ~L1...c: , tlOI(

j.f o P " - a - - - r - ~c~·~.

EI transistor de unijuntura programable es un dispositivo mas versatil que el UJT

de ca

Figura 4.13

carga

10011

100 w R d

ZDI

linea f . . 4 1 lV, v

ya que sus parametros no dependen exclusivamente del fabricante y de la temperatura de.operaci6n. EI disefiador puede defmir la corriente pico, la corriente valle y el voltaje pica

del dispositivo mediante la selecci6n apropiada de la resistencia equivalente vista desde

su compuerta. Esta versatilidad tambien hace que el PUT sea un dispositivo algo mas

dificil de utilizar, ya que si no se cuenta con las curvas del fabricante es muy probable

Ing. .Abdiel Bolanos FIE-UTP81-




que no se pueda definir el rango correcto de valores de RE para los euales el dispositivo

oseila.

En la figura 4.14 se muestra el simbolo del dispositivo, as! como su eurva

caraeteristiea, la eual no difiere mueho de la eurva del UJT. En la figura 4.15 se presenta

un oseilador de relajaci6n con PUT, para este easo la resisteneiaequivalente sera el

paralelo de 16k y 27k, 0 sea 10kQ. El voltaje equivalente 0 Vs se puede obtener del

divisor de voltaje, siempre y cuando se eonozea el voltaje de Ia fuente. Suponga que la

fuente es de lOY, entonees Vs sera igual a 6.28V.

R r - R 1 R 2\.J - R1 + R 2

+

-= - V s

--++J.....---...J.....----1...-.IA

'GAO

Figura 4.14 PUT. a) Simbolo y circuito equivalente de compuerta.

f k . _ + " " - , , , ~~.,t 03"T: ' J . \

- + L N - ~ ( / " I'I'lo" ( , < . . . J . . . . . U

--r_"o",o",,\j~o- <

JI · h : / ' tw)f~(/\,w

. L . l j : v . " " ,I / ' f A .!)

C c

b)Curva caracteristica.

Figura 4.15 Oscilador de relajacion con PUT. EI voltaje de salida puede ser utilizado

para el disparo de un SCR 0TRIAC.

16k

27 k





La ventaja del oscilador de relajacion con PUT, mostrado en la figura 4.15, con

relacion al oscilador con UJT es su inmunidad al ruido. Esto se debe a que antes de que

el dispositivo conduzca, la corriente que 1 0 atraviesa es aproximadamente cero, y el

voItaje residual en el resistor de 200 es practicamente cero.

A continuacion se presentan algunos datos de la hoja de especificaciones del PUT

2N6027 de Motorola. Este dispositivo puede soportar hasta 40V entre anodo y catodo y

puede manejar una corrierrte promedio de 150mA en el anodo, Su disipacion de potencia

es de 300m W y decrece a razon de 4mW por cada grado centigrado de aumento en la

temperatura del encapsulado.

PUT 2N6027

Rating Symbol Value Unit

'Power Dissipatlon o~ 30 0 mW"

Derate Above 25" '<: 1ieJ,~, 4_ 0 m\·VlcC

'DC Forward Anode Current iT 150 rnA

Derate Above 25c,C 2.67 n 1 A ) ' = I C

'CC Gale Curren t IG =50 rnA

Repei it ive Peak Forward Current t - r nM Amps

1O{}us Pulse \J\ridth, 1% Duty Cycle 1_0

'20 us Pulse Width, -1% Duty Cycle 2_0

Noo-Repetitive Peak Forward Cur ren! ITSM 5_0 Amps

10 us Purse Widih

'Gate to Catnode Forward '.... ltace VGKF 40 Volts

'Gate to Cathode Reverse Voltage '/GKR -5_0 volts

'Gate to Anode Reverse VOltage IiGAR 40 Volts

'Anode to Cathode Vol tage(1j VAK =40 Volts>

Operat ing Juncticn Temperature Range TJ -5010 ''C

+-100

'Storage Irnperature Range Tstg -55 to -c+-150

PUTs

40 VOLTS

300mW

TO-92 (T0-226AA)

En las curvas siguientes se tiene la informacion necesaria para la programacion de

la corriente de valle, as! como el efecto que tiene la temperatura ambiente sobre dicha

corriente.

Ing. Abdiel Bolaiios -83- FIE-UTP




. . .-Z

t..U

'"'"_t..U

~2-

~.;J...

1000,.

10"~.,4'0

RG -10k l1 :

'l >1-0"J< -t-1,Y

f...---j..---'

10 010 0~1I

_- I

:...--110

I--- -0

10

<,

~

- - -, l-t- RG=10kn=

~ ~r-, . . . .. . . t : : :,

L: : : : : : ~ 100~~ . _- - . . . -+- _ I

~ ' l M d -

- -10 15 205-00 -25 o .25 .s o +75 +100

"5 . S UP PL YVDL TAG E (VO LT S) T A' A MB IE r; r T EM P ER AT U RE ('q

A continuaci6n se presentan las curvas para la programaci6n de la corriente pico,

como tambien el efecto de la temperatura sobre este parametro. N6tese que tanto para la

corriente valle como para la corriente pico, las curvas estan dadas para ciertos valores de

Ro, por 1 0 cual debe tratarse de que la resistencia equivalente este cercana a los valores

definidos en las curvas.

0. 15. 0 10 15

10

5

:s.=2. . .1

t..U

'"1 3 5.

'":3 2 .0..

E- l

O .

O .

O .20

0

0

0 " "S= 10lJOL S -". . . . . .O-""~ "

( SE E > lG UR E2 ) -

0

0/

. . , . . . . . . . . . - - . . .

0 == = R G= 10 kO_L : - - . . ~ - . . . . . . . . . . . ,

5 lUU KHI

2lOr.lQ - - . .

1 , --25 +25 +50 +100

10

0 .3

0. 2

f-

If- I

I~ ,I

I . : = : RG -10 kO

l00kn

r! TA - 25"C

1.~MQ - (S EE F pURE 2 )

I

5. 0

:s ~.•'2 3.0

~ 2.0

'"8 lO

;: 3

~ 0 .5

V s. S U PP LY V OL TA GE (V OL TS ) T A. A MB IE rn T EM P ER AT UR E ('C )

Ejemplo

Calcule el valor de la corriente pico y la corriente valle para el circuito mostrado en la Ifigura 4.15.





Soluci6n:

Definidos los valores para la resistencia de puerta (RG=lOkQ) y el voltaje de puerta

(Vs=6.28V) se utilizan las curvas respectivas para la defmici6n de estos parametres.

Observe las graficas correspondientes. Con flechas rojas se define el valor de las

corrientes respectivas. Para el caso de la corriente de valle el valor aproximado es de

120IlA. Para el caso de la corriente de pico, su valor aproximado es de 4.2f.,IA. Con

estos valores puede calcularse ahora el rango apropiado de valores para RE, y conseguir

asi que el circuito oscile sin mayores complicaciones.

1000

;;(

, , ; : : . ,

f-zW

cr:cr:=>u10 0>-w--

§

2

R( ; Okn

-~~ - - r--100kn

- - - - I

- - 1 In

- l...--I--10

5 ~ ,~ 82 10 15 2 0

VS ' S U PP L Y VOLTAGE (VOL TS )

10

5. 0 00;;:

!~ /

/ ~

/

C:: G 10k0.

100k0. /~I TA = 2 5 " ' C1.0Mn- - (SEE FIGURE 2)

f- 3. 0

~ 2,0o;

cc::l

~ 1.0

~~ 0.5

O J

0.2

0 .15.0 10 15 20

Vs, S UP P LY VO LT AG E ( V O L T S )

InK. Abdiel Bolanos-85- FIE-UTP




PROBLEMAS RESUELTOS:

PROBLEMA 1: Para el circuito mostrado:

a.) Calcule el valor de R2 que causara un retardo de disparo de 90°.

b.) Si R2 = 2.5 kn, calcule el angulo de conducci6n y el angulo de retardo de

disparo.

Rcarga

+Rllk

115 Vrrns

60Hz

_ ... . SCRI

~~SCR

Solucion

a)

Vs = 115-fisen(90) = 162.63 Va 90°

t__Cuando a=90° /IGT =35~

~ """~

( R + R = 162.63 = 4.65 ill

~~~

R2 =4.65 -1 =3.65 ill

b)

RJ+ R2 = 2.5 + 1= 3.5 ill= Rtotal

Vs = Rtotal * J GT = 3.5(35) = 122.5 V

a = Sin- ( 122.5 ) = 48.870115 * - J 2

Bconduci6n = 180-48.87 = 131.13°





PROBLEMA 2: EI siguiente circuito de control es usado con una fuente

conmutada de voItaje CD de 60 V. La Icr del SCR es 10 rnA.

a.) Si la fuente de CD es encendida repentinamente, para los valores mostrados

en el esquema de circuito, ;,Cminto tiempo transcurre antes del disparo delSCR?

b.) ;,Que valor de C causara un retardo de tiempo de 70 ms entre el cierre del

interruptor y el disparo del SCR.

Rcarga

Rllk

SCRlSCR

60V

Solucion:

a.)

Utilizando la ecuacion de carga del capacitor podemos calcular el

tiempo de disparo del SCR .

1 1 . 3 ~ 6 { I ~ e ,,,::.-, )

De aqui, resolviendo para t tenemos que

t = 0.365 mseg

b.) Para resolver este apartado recurrimos nuevamente a la ecuacion de carga

del capacitor. Con esto encontraremos la constante de tiempo necesaria para

que el disparo del SCR ocurra en 70 ms y a partir de aqui el valor de la

capacitancia necesaria para dicha constante de tiempo

(

-70x]O-3 J11.3 = 60 1- e r





-70X]O-3

1- 0.1883 = e T

I n (0.811667 ) ~ I n [ e -70:10' J

_ 0.208665 = - 70 x 10-3

T

T = 335 .5 ms

c = T = 335.5 X 1~-3 =95.86 jiF

( R 1 + R J 3.5xlO

PROBLEMA 3: Para el circuito mostrado la fuente de voltaje es de 220 Vrms, 60

Hz. EI resistor de carga es de 16Q. Ignore el VT del SCR.

Rcarga

16

R1

Fuente de

Voltaje

a.) ;,Cminta potencia es proporcionada a la carga si el angulo de retardo de

disparo = 0° ?b.) ;,Cuanto si el angulo de retardo de disparo =90° ?

c.) Si el angulo de retardo de disparo = 135°, i,Sera menor que la mitad 0

mayor que la mitad de la cantidad proporcionada para un angulo de

retardo de disparo de 90°? Explique.

Solucion: Para calcular la potencia disipada por la carga para los diferentes

angulos de disparo haremos uso de la ecuaci6n de la potencia instantanea por

medio de la integral del cuadrado del voltaje

donde:





T = 2 T C , reemplazando en la integral de potencia nos queda

p= 22~ (l2sin2(e)ie1 6 7 Z " 1 1

Resolviendo dicha integral tenemos que

P = -481.44(sine. cose - e), evaluado de 91 a 92

a.) Para un angulo de retardo de disparo de 0°, 9J = 0 a 92 = n.

P = -481.44(- T C ) = 1512.5 Wb.) Para un angulo de retardo de disparo de 90 grados, 91 = nl2 a

92 =zt.

P = -481.44(- T C 12 ) = 756.25 W

c.) Con un angulo de retardo de disparo de 135° , 91 = 3nl4 a

92 =z.

p ~ - 4 8 1 . 4 {(sin,,· cOSJr-" )- (Sin 3 ; . cos 3 ; - 3 ; ) 1

P = -481.44[0 - T C + 0.5 + 3: ] = -481.44 * -0.2854 = 137.4 W

Como era de esperarse la cantidad de potencia suministrada a la carga con

un angulo de retardo de disparo de 135 grados es menor que la mitad

producida por un angulo de retardo de disparo de 90 grados. Esto se debe a

que ya sea dentro de los primeros 0 ultimos 90 grades de un semiciclo de una

onda senoidal la sefial no es lineal, por tanto el rango de las amplitudes de

voltaje son menores despues de los 135 grados dando como resultado una

menor potencia entregada a la carga

PROBLEMA 4: En el siguiente Rcarga

circuito:a)Si C = 0.47J1F , encuentre los tamafios

adecuados de RI y R2 para un rango

amplio de ajuste del angulo de retardo de

disparo.

b)Si RJ= 4.7kQ Y R2 =100k,Q, escoja un

tamafio aproximado de C que permita

que el angulo de retardo de disparo sea

ajustado muy tarde.

Rl

Fuente de

Voltaje





Solucion: Para este tipo de circuito se ha establecido que la cons tante de tiempo

71 = (R I + R2)c de estar entre 1 y 30 ms para un amplio rango de ajuste del angulo

de retardo de disparo. Basandonos en este enunciado de la teo ria para circuitos de

disparo RC para SCR se calculan los valores deseados.

Si C = 0.47~F, entonces la constante de tiempo minima esta determinara por R) y

C. Seleccionando 'Lmin = 2 ms , tenemos que:

R = 2xlO-3

=425501 0.47 x 10-6

Cuando la red de disparo ofrece su mayor resistencia entonces la constante de

tiempo es la maxima permisible para el disparo del SCR. Por ende asignamos

'L m ax =28 ms.

R = 28x~_R =55.32 kO2 0 .4 7 xl 0- 6 1

Si R)= 4.7kQ YR2=100k!! y se requiere que el anguio de retardo de disparo sea

ajustado muy tarde seleccionamos nuevamente 'L m ax = 28 ms.

C = 28 xl 0-3

=0.267 F104.7 x 103 Jl

PROBLEMA 5:

~vc

M

a

a .

b .

c .

Solucion:

Dado el siguiente circuito encuentre:

6,/0

RF,,=120"

-1A~+ \lh+O'f , j . .\JI2.~ ...o

V e _ B = ' 2 . 4 - V a1 - - o . ~Carga

- t J ' ( \ J ; ~ ,WJ",... ~

0-& (- ). f"'J.J".._ - t - -

Rd

+

R

24v 02

SCRISCR

dv.. d ' dv i ~v 1a. Debemos recordar que ic = C -- e aqm que _c = ~ , entonces C = c

dt dt C ~t C

Con esto vemos que es necesario calcular Ie. Es importante notar que

-90-ng. Abdiel Bolanos FIE-UTP



ISo ' _8.~......sx . _ Z.13""5

- - * - & . 6 d S~5qL

4 < B.J ...

-* r'OSF[i

> /' JGl3T


estamos asumiendo que 18 = 0 y que Ie ~ IE

'V - (24){8)-14 77 V ~ \}Q - : : o ( 2 - + V ) ( ~ )B - -. _".. €>)(+51C

13

V E = VB + V EB = 14.77 + 0.7 = 15.47 V

V R 2 =24-VE =24-15.47=8.53V

I = V R 2 = 8.53 = ~Al142.2~ A ~ IE ~ .). n u - \. ~ c

R2 2.5 X 10°

b. Calcule el angulo de disparoV - n.V + 0 6 k , 1 . . " " , - ' 1 \ . " 3 Tp - ./ B2BI • V I '

Vp=0.58·(24)+0.6=14.52V

6.82

t = 14.52 = 2.13msa 6.82

180° . 2.13 x 10-3a = - -- -- -:- -

8.33 X 10-3

L_. 8.33 m equivale al T/2 de una onda de 60 Hza=46°

c . ?1("·(.,1,"",, S

---

120° ~ f ; _ "

8.33x120~ , 8 , 3 ? J f V " \ ~ -t>1~D'

fa = = 5.55 ms ; & , Q 4 I " M £ '1 1 " 2 . ' - , , - /180 e.l. ...,r'rI'..; -.. 0

180° ~ 8.33 ms

=f ' . . f fa

~Vc = 14.52 = 2.616 V /ms : :: ~

~t 5.55 Z .0'1V ; , . , . . ~ C-

f ' .. V C 6 ( .)Ie = C M = 0.5 x 10- . 2.616 V ' [ms = 1.308 rn A = IE

: :: I .o< \ -S~A

V R 2 =R 2IE =2.5xl03

. (1.308xl0-3)=3 .27V

1. (JII.,,\" t:-' to . - = 2.<'J,125\f

Ing. Abdiel Bolanos-91-

FIE-UTP




20,("S'l-n)

V R F =V z -VR 2 -VEB =24-3.27-0.7=20.03V

24-VRF 3.97 A1 R F = 1 5 k = ---. - =--3 = 7.94 f . 1 A :=,q4-)II.

5k 5 x 10 x: (..lc2.. Sf tA

R = ~IY':_ = 20.03F 1F 0.794 x 10-3 : : = : >

RF = 25.2 ill

O ( , , ~ = t S : v2 . := 31, 2-2,(' K . . n . .

vG2- . S . J 1 ft

PROBLEMASPROPUESTOS

PROBLEMA 1

En el circuito de la figura 4.15 se mide el voltaje en el capacitor Cc con un osciloscopio

para observar la forma de onda, 0 sea, la carga y descarga del capacitor, sin embargo,

s610 se observa un valor constante de 12V, que es el mismo valor de alimentaci6n VB.

a) Que sucedi6 con el PUT y que habria que hacer para que el circuito pueda oscilar.

b) Conteste la pregunta anterior si el voltaje visto en el osciloscopio fuera igual al

voltaje de valle.

PROBLEMA 2

El siguiente circuito tiene como funci6n autorregular el voltaje que se le aplica al foco de

manera que la iluminaci6n se mantenga constante aunque se presente variaciones en el

voltaje de alimentaci6n. Indique como este circuito regula el voltaje aplicado a la

larnpara partiendo de un supuesto aumento en el voltaje de alimentaci6n de CA:

Fuente decav ar ia bl e d e

IlOa250V

L__.___--~

La fotocelda debe tener un a

resistencia de cerca de 10 kO a

2 candelas pie de iluminacion;

su proporci6n luz-a-oscuridad

debe ser de cerca de 100:I

3.3 !ill Fotocelda Tubo de carton

R,

24 V IO ill

Triac de

3arnperes

de 400 V

Transformador de pulsos

PROBLEMA 3

Para el siguiente circuito responda 10siguiente:

a. Que dispositivo es el encargado de limitar la corriente que Ie llega a la carga.





Por que el transformador de pulsos muestra la polaridad indicada.

c. En que cuadrantes es disparado el TRIAC 2 \ 3

d. Son iguales los angulos de disparo en los semiciclos positivo y negativo, por que?

e. Cual es la funci6n de R2.f. Si se retira el SUS se puede garantizar que los angulos de disparo en ambos

semiciclos sean iguales?

~f",,"~ '0 ~'t1 4}'C4 . L . ? J_.

~ /hv/'l<, --<k,·J./UifJ d,.l,rA/u:!_

tx aJ cc 1'd,u...I.J/

c ' p , , ~ ~'-6Jr < U''<' f2.c.;_..,/lu-.J7f!IAL?. /' U 115Vca 'I.....5~;£-, I / 60 Hz

,jr ~ ' . J _ I r L , . . ) u i j, "-H~" _.(..I~ . , ' " , : ; ; J . ?

, - / ; J I I • lZlA (_ -7 (

clJI- /M. ,,.( •s- !OcI!-...L n_l- cc ,. . ~ c: " ,

--!- I "-~- / - I- {~ ~AJ'_'..;,..'J.J...-..s.-"~'/40--~'--,~~--t-'":-T.-V-~-""'--:-I~-;-I-___JvW-{"-\< c/J-<C !.?~/,""'V'''- " C7 -/, t ! "t. V".~ ~ 1 '1" .a_C<l.lllb J ' ~ ,1\ ~, '

J PROBLEMA 4 0(~ r~·" o ;.C W "c f '

~fA{'~~+r:: Utilice el circuito mostrado abajo para disefiar un generador de diente de sierra con unoc r ,;h.L- ';<!-4iC, voltaje maximo de 10V y una frecuencia de 10Hz. Ademas:

a. Determine la amplitud maxima que puede ser generada con este circuito.

b. Por que la carga del capacitor no es de tipo exponencial, sino lineal? '

~ c. C6mo nos aseguramos de que el circuito en realidad esta oscilando? ( L . Tv-T p (

I .(c.<.J~ NOTA: Puede cambiar el valor de los elementos excepto el de las resistencias del

- P transistor. Utilice las curvas para el PUT presentadas en este folleto.

'l .. !J J . . . i J f .:.t~r1

7.r.."",l,

+35 V

021

PROBLEMA 5

I

VG q , q " ~\ls ~fM~ O~rc<;

\J~~V E = - '24.DG -+()~:::j ~ 2if.::P(_ v

\Jf\F -= 3S -l c f. : : ;~ ~ / o : z ¥ ' V

_:.-.. 1

-_L - - N, Z 'I 8 2 d, JE . - S(.o~:::) .orA",,-Ic_.

Cual es el error en el circuito del ultimo problema de los problemas resueltos?

Ing Abdiel Bolanos -93- FIE-UTP



Electronica Potencia y Aplicaciones Circuitos Rectificadores

Los circuitos rectificadores 0 convertidores AC-DC estan presentes en todas las

aplicaciones electr6nicas que toman energia de la red de alimentaci6n publica y tienen

circuitos electr6nicos. Existen muchos circuitos utilizados para la rectificaci6n de la

corriente altema, pero el objetivo de este capitulo es el estudio de estos circuitos para

determinar su voltaje de salida y c6mo estos circuitos afectan la calidad de la energia

disponible en la red publica.

Dependiendo del tipo de dispositivo utilizado, los rectificadores pueden ser

no-controlados 0 controlados, esto es, si estan compuestos por diodos 0 por SCR's. En

ambos casos el factor de potencia y la distorsi6n arm6nica total de la linea se yen

afectados, motivo por el cual se presentaran algunos criterios relacionados con este

fen6meno.

5.1 RECTIFICADORES NO-CONTROLADOS

En la figura 5.1 se rnuestra el circuito de un rectificador monofasico no-

controlado y las formas de onda de voltaje para cada semiciclo, indicando tarnbien los

diodos que conducen en cada semiciclo. En el circuito de la figura 5.2 se muestran las

formas de onda para el rectificador monofasico, pero en este caso considerando el

capacitor de filtro Cd. Este analisis supone que el capacitor es 1 0 suficientemente grande

para que el voltaje de salida no muestre una variaci6n perceptible.

Observese que la corriente id s6lo cornienza a fluir despues de que el voltaje de

entrada a superado el valor del voltaje de salida, 0 sea, despues que los diodos del circuito

han sido polarizados directamente. Mientras que el voltaje de la fuente de entrada Vs sea

mayor que el voltaje de salida, habra una acumulaci6n de energia en el inductor Ls, al

hacerse menor el voltaje de la fuente, el inductor se ve forzado a mantener el flujo de

corriente, y para ello genera el voltaje necesario para polarizar directamente los diodos





del rectificador. Este proceso continua hast a que la energia contenida en el inductor se+~:-r::--...",_--

1xtingue (0b)

t V . 5 ?) c, _. f~ lr p . . . L o c e, .

4 .2

l(a) (b)

FiguraS.1. Rectificador monofasico a diodos. a) circuito, b)formas de onda sin el capacitor

de filtro Cd.

En la figura 5.2b se muestra la caracteristica de salida para el circuito rectificador

en funci6n del parametro LsId , donde Id es equivalente a la corriente de carga. Observese

que si la corriente de carga se hace cero, el valor del voltaje de salida alcanzara su

maximo,oj2Vs I . I L : ~~oP:r . . . . r 4: t l rV"'~c_;, . ~.c-~Wf4/>~4-. - L ~(',,-n , ( t " " 1 ( . . . I.~~.~ 1 f~oo"t~vf;- _, l~" ~

~~ fJlP" \. ~" '

Area -;:~~ ~ jj ~.v ~)J1~l · l ( ? / o / z r l > ~ )- - - : : _ ' - . . : . : J ' _ _ --~r/" Ud = Vd Vd

-------

OL_~----------~Lh L.Id = L.I1oad

(b)

5.1.1 PARAMETROS DE CALIDAD DE ENERGiA

A continuaci6n se presentan los parametros mas importantes relacionados con la

calidad de la energia de la red publica al utilizar un circuito rectificador. Estos





./

pararnetros son el factor de ptfencia (PF) , la corriente de distorsion e lD/s) , la

distorsion armonica total (THD), el factor de cresta y el factor de forma. Tambien se

presentaran algunos otros aspectos relacionados con la medici6n de dichos parametres.

En la figura 5.3 se muestran las formas de onda de corriente y voltaje en un

rectificador monofasico, La corriente is viene a ser la corriente total, mientras que la

corriente is] es la corriente fundamental asociada. Tambien puede observarse el valor el

angulo de desfase ~I' entre el voltaje de entrada V s Yla corriente fundamental.

Figura 5.3 Formas de onda de corriente y voItaje en un rectificador monofasico,

Definiciones basicas

/' - - ------ IL-Mediante ~~s_ ~~ Fourie-Q la corriente de linea puede ser expresada en

- ----terminos de la corriente fundamental mas los otros componentes arm6nicos. Si se asume- - - - - - - - - - - - - - - _- - -

que el v0taje de entrada es una senoide pura, entonces.solo . L a componelftefii~e~- _______./ - - - _-

~e la corriente contribuye al flujo- e pote~al~Jal como se muestra en la siguiente

ecuaci6n.

(5.1)

ln~.Abdiel Bolanos -96-FlE-UTP




donde ~l es el angulo entre la fundamental de la corriente de entrada y el voltaje de

entrada. La potencia aparente en este circuito puede ser calculada de la siguiente forma.

(5.2)

Por 1 0 tanto, el factor de potencia se puede calcular como:

p

Power fiactor P F = -- - S

(5.3)

(5.5)

El valor rms de la corriente de linea puede ser calculado por medio de la raiz

media cuadratica de la forma de onda de is utilizando la siguiente ecuaci6n.

(5.6)

6

(5.7)

EI valor rms de la componente de distorsi6n esta dado por:

(5.8)





Para cuantificar la distorsi6n existente en la forma de onda de corriente se utiliza

la corriente de distorsi6n y la corriente fundamental segun 10 indica la siguiente relaci6n.

%THD = 100x Idis

lSI I /-

~ l ' ( _ - < - l -

En muchas aplicaciones es importante conocer el valor pico de la corriente is, 0

(5.9)

sea, Is,pico. El valor ideal para el factor de cresta seria ~!2

Factor deIs pica

cresta = _ ' _ I

I S

(5.10)

Se puede definif otra cantidad llama Factor de forma, la cual relaciona la corriente

rms de la entrada con la corriente directa de la salida.

IFactor de Forma = _§_

I d

(5.11)

DPF

PF

J , /1

o . o T I I I I "I I I I I I

o 0.02 0.04 I0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

• L : l . a [ mH·A ]v . v4V~

Norrnalizacion del factor de potencia y el factor de potencia de

desplazamiento en funcion de Ls, Iu y Vs.Figura 5.4

En las figuras 5.4 y 5.5 se muestran curvas desarrolladas para los rectificadores

monofasicos, donde se muestra la relaci6n de los factores mencionados con un parametro





nonnalizado, el cual pennite utilizar dichas curvas para muchas condiciones de operaci6n

diferentes.

Crest factor

Form factor

_ _ _ _ _ . . : . . ! : v , J : : . . : , v ! . . . , ~ - ? - ' 1 J - " ' + :

Figura 5.5 Factor de cresta, Factor de Forma y Ganancia del rectificador

5.1.2 CIRCUITO DOBLADOR DE VOLT AJE.

Antes de aparecer los circuitos autorregulados, existia una opci6n muy practica

para aplicaciones que podrian ser utilizadas en redes publicas con diferentes niveles de

voltaje. Este circuito se conoce como doblador de voltaje, y le daba al usuario la opci6n

de conectar el equipo a redes de alirnentaci6n de 115Vnns o230Vnns. Dicho circuito se

muestra en la figura 5.6 y los modos de operaci6n se identifican por flechas de diferente

color.

El objetivo de este circuito es hacer que el voltaje a la salida del rectificador seasiempre el mismo, aproximadamente 300VDC. Cuando el circuito opera de una

alimentaci6n de 230Vnns, el interruptor debe abrirse para que trabaje como rectificador

normal quedando C1 y C2 en serie. En cada semiciclo la corriente pasa por ambos

capacitores cargandolos al mismo tiempo. En caso de que el voltaje de entrada sea de

115Vrms, el interruptor debe estar cerrado para que el capacitor C] se cargue durante el





semiciclo positivo y el capacitor C2 se cargue durante el semiciclo negativo. En la

actualidad este circuito puede ser encontrado en la mayoria de las fuentes conmutadas

J 5 - J - 4~)vhutilizadas para cornputadoras personales.

+ . s - " , +I _1 . -~D~

ClJ " , , " ' -

Vd Vd

C2

a) b)

Figura 5.6 Circuito doblador de voltaje. A) Circuito operando con un voltaje de entrada

de 230Vrms, interruptor abierto, b) Circuito operando con un voltaje de

entrada de 115Vrms, interruptor cerrado. La linea roja representa la

circulacion de corriente durante el semiciclo positivo y la linea azul durante

el semiciclo negativo.

5.1.3 RECTIFICADORES TRIFASICOS

En aplicaciones industriales, donde comunmente se dispone de alimentaci6n

trifasica, es preferible utilizar rectificadores trifasicos en lugar que rectificadores

monofasicos, debido a que los primeros ocasionan un menor rizado en la corriente de

entrada y tienen una mayor capacidad de manejo de potencia. En la figura 5.7 se muestra

el circuito para un rectificador trifasico, el cual s6lo consta de 6 diodos, por 10 tanto es

mas efectivo que un rectificador monofasico, el eual necesita de 4 diodos.

Este circuito tambien seconoce como rectificador de seis pulsos, eso se debe a

que para un periodo de la sefial de entrada, se presentaran seis picos de voltaje en la sefial

de salida. Esta caracteristica se puede apreciar en la figura 5.8, donde se muestra que

cada diodo conduce por 120° y que cada pareja de diodos conduce por 60°. La corriente

de entrada para este rectificador puede ser continua 0 discontinua, 10 que depende

basicamente del valor del inductor Ld, ubicando entre el rectificador y el capacitor de


folleto electronic a de potencia_02

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