tiristores scr triac
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Tiristores
Contenido:
TIRISTORES(Thyristor)
En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory.
Inicialmente fue llamado Transistor PNPN (hoy conocido como SCR)
Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia.
Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias mas altas, son dispositivos realmente robustos.
Definición y tipos- Dispositivo de 4 capas con estados estables de conducción y bloqueo
- Interruptor de potencia muy alta
- Potencias y tensión muy altas
- Frecuencias de conmutación no superiores a 2kHz
SCR (Silicon Controlled Rectifier). Interruptor unidireccional
GTO (Gate Turn-off)Interruptor unidireccional. Apagado
por puerta
TRIAC (Triode AC)Interruptor bidireccional
DIAC. (Diode AC)Interruptor bidireccional ( Control de
tiristores)
p2
n2
n1
p1G
K
A
J3
J2
J1
IA
p2
n2
p1
n1
C
A
A
Estructura Interna y circuito
equivalente
Característica
SímboloSCR: Silicon Controlled Rectifier
Siempre es de Silicio.El SCR es el tiristor por excelencia
(Cátodo)
(Puerta)
C
G
A
(Ánodo)
E
B
C
C
B
E
IA
VACVB
IG
P
PN
N
A
CG
A
C
G
SCR: Silicon Controlled Rectifier
SCR: Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor unidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero
G
A
CMODELO IDEAL DE UN SCR
A
CG
A
C
G NOTA:El disparo por tensión directa (VB) se considera indeseable y, como norma general, debe seleccionarse el SCR para que esto no ocurra
US(t)
Umax
Umax
ig
t
t
t
UAK
UE (t)
A
KG
UAK
IG
IA Carga
UE(t)
US(t)
Rg
SCR: Ejemplo de control de fase
500 V24A
1300 V1800A
500 V100A
TO 200 AFB 20
TO 209 ADB 7
TO 208 AcB 2
SCR: Algunos ejemplos
Unos de los 12 SCR para un “pequeño” rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV(Inga-Shaba, ZAIRE)
EL SCR es el dispositivo electrónico mas robusto que existe.
Puede manejar tensiones y corrientes realmente impresionantes.
Algunos ejemplos son realmente espectaculares.
P1
P2
n1
n2n3
n4 n4
T2
T1G
T2
T1
G
Estructura Interna
Característica
Símbolo
TRIAC: Triode ACT2
T1G
IT
VT+VB
IG-VB IG
NOTA:Se puede disparar con pulsos positivos o negativos de corriente en puerta
TRIAC: Triode AC T2
T1G
T2
T1G
T2
T1
G
TRIAC: Un modelo ideal sencillo
Podemos decir que es un interruptor bidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero. La puerta es ahora bidireccional (2 diodos en anti-serie)
G
T2
T1MODELO IDEAL DE UN TRIAC
T2
T1G
U MAX
U Carga
t
IG
T 2
T 1
G
IG
U e
R L
U carga
U T2T1IG
TRIAC: Ejemplo de control de fase
IT(RMS) = 12A
VDRM = VRRM = 700 V
Disparo
Apagado
Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores) Soporta picos de corrientes elevados Se debe conocer la Tensión de cebado (p.e. 33V en el DB3) DB3: Diac comercial muy popular
DIAC: Diode AC
Característica
IT
VT+VB-VB
A1 A2
Estructura Interna
P1
P2
N1
N3 N3
T2
T1
N2 N2
DIAC: Diode AC
T2
T1
Podemos decir que es un interruptor que se cierra por tensión (Tensión de ruptura) y permanece cerrado hasta que la corriente por el pase por cero (corriente de mantenimiento)
DIAC: Algunos elementos similares
DESCARGADOR DE GAS
VARISTOR
Gránulos de óxidos metálicos sinterizadas (Óxido de cinc, etc)
Recinto de descarga
DIAC: Uso como elemento de protección
Equipo a protegerVe
I F
TRIAC,VARISTOR,DESCARGADOR,...
Sobretensión
NOTA:Seguramente el VARISTOR es el elemento mas popular para esta aplicación
R1 = 0 , máxima potenciaR1 = Elevada, mínima potencia
Ejemplo: Control de TRIAC con DIAC (Típico regulador de luz de salón)
DIAC: Ejemplo de uso
Carga
R1
R2 R3
C
TRIAC controlado por DIAC(Montaje simplificado)
A2
A1
G
IG
GTO: (Gate Turn-off)
A CG
La especial estructura del dispositivo permite el apagado por puerta (con un pulso negativo).
Por lo demás es similar al SCR.
Estructura de un GTO simétrico
A
C G
C
G
Vista desde abajo
MCT, tiristor controlado por MOS:
Puesta en conducción por tensión negativo en puerta Apagado por tensión positiva en puerta. Ganancia elevada de tensión de control Disponibles hasta 1000V y 100A. Potencias medias bajas
K
G
A Símbolo
NOTA:Tiene una funcionalidad similar a la del GTO, pero gobernado con tensión
LASCR, Tiristor controlado por luz.
Son Tiristores activados por luz Utilizados en Alta tensión Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz Tensiones elevadas 6000V y 1500A
A KG
NOTA:Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de potencia y el de gobierno.
Ejemplo de calculo rápido red RC:El SCR del cto de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. La descarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS al circuito. Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta del elemento, calcular:
1º) Valor del condensador de la red de protección. 2º) Valor de la resistencia de protección.
Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20; Imáx = 3A
5.55A120
311VR
V(0)IL
máx SC
F311.0s/V50
15.55AdtdVCIC
C
100103.63A
311VR
MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIÓN:PROTECCIÓN:A.- Método de la constante de tiempoMétodo de la constante de tiempo (más utilizado).B.- Método resonanteMétodo resonante.
A.- Método de la constante de tiempo
Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante de tiempo () de la dV/dtdV/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:
min
DRM
dtdV
V0.63
LRC
KIIVR
LTSM
Amáx
KK= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)
CdtdIVR Amáx
min
La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.
Limitaciones de la pendiente de intensidad (dI/dt)Limitaciones de la pendiente de intensidad (dI/dt)
Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una destrucción del tiristordestrucción del tiristor.(creación de puntos calientes)
Un procedimientoUn procedimiento posible es añadir una inductancia L para conseguir que la añadir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las características del estado de conmutacióncaracterísticas del estado de conmutación.
LtR
A e1RVI
máx
A
dtdI
VL
Ejemplo Ckto de ProtecciónSupongamos que el tiristor está colocado según la figura. Calcular aplicando el método de la cte de tiempo el cto de protección contra dV/dt y dI/dt.
Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5;
SCR: VDRM = 500V; ITSM = 250A;dI/dt = 13.5 A/µs; dV/dt = 50V/µs
294V2208VAmáx
s3.6
dtdV
V0.63
min
DRM
F26.1R
C
83.3KII
VRLTSM
AmáxS
15.4C
dtdIVR Amáx
min
H7.21
dtdI
VL Amáx
Extinción del tiristor. Tipos de conmutaciónExtinción del tiristor. Tipos de conmutación..
Entenderemos por extinciónextinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducciónconducción a pasar a cortea corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.
Conmutación Natural
-a.-) LibreLibre-b.-) AsistidaAsistida
Conmutación Forzada
-a.-) Por contacto mecánicoPor contacto mecánico-b.-) Por cto resonantePor cto resonante
-SerieSerie-ParaleloParalelo
-c.-) Por carga de condensadorPor carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliarPor tiristor auxiliar
intensidad por el tiristor intensidad por el tiristor se anula por si mismase anula por si misma
Secuencia lógica de la Secuencia lógica de la fuente primariafuente primaria
Conmutación forzada.Conmutación forzada.
Para provocar la conmutaciónPara provocar la conmutación del tiristor, será necesario anular la anular la corriente anódica durante un tiempo suficientecorriente anódica durante un tiempo suficiente para que el tiristor pueda pasar a corte. Este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, puesto que si su duración es inferior a un valor determinado por ttoffoff (valor intrínseco al tiristor utilizado) no tendrá lugar la conmutación del dispositivo.
Conmutación forzada.Conmutación forzada.Sea el circuito de la figura. Para un tiempo de apagado del tiristor de toff
= 15µs, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado.
Datos: E = 100V; R0 = 5; C = 5F
CRtq
C
CRt
CCCCC
CCR
t
C
0
0
0
e-E)(V
e)(V)0(V)(V)(V ;A )(V
BA)0(V ; eBA)(V
EEt
t
t
CRt
0
q
eE2E0
CR0.693t 0q toffs33.1710550.693CR0.693t -6
0q
FFundamento de conmutación por cto resonanteundamento de conmutación por cto resonante
LC21
f
00)(tvidtC1
dtdiL C
senwtLCVi(t) C
coswtV(t)v CC
Conmutación por carga de condensador
La extinción extinción del tiristor se consigue con el circuito de se consigue con el circuito de la figurala figura:
En el cto anterior podemos distinguir 2 partes: cto de potencia constituido por la fuente E, el tiristor T1 y la carga RO (resistiva pura); y el cto auxiliar de bloqueo formado por R, C y un tiristor auxiliar T2.
El cto puede se comparado con un biestable asimétrico de potenciabiestable asimétrico de potencia, en el que los tiristores conducen de forma alternada.
TRIACTRIAC GTOGTO ZTOZTO FOTOTIRISTOREFOTOTIRISTORES S SITHSITH ASCRASCR MCTMCT
TRIACTRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccionaldispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de corriente alterna.
GTO (GTO (Gate - Turn - Off)Gate - Turn - Off)Dispositivo semiconductor de potencia que combina características de un tiristor convencional con las de un transistor bipolar, presentando la ventajaventaja de poder pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un impulso negativo a la puertaimpulso negativo a la puerta
Es equivalente a una resistencia la cual es incapaz de bloquear voltaje. Para continua el dispositivo no presenta ningún problema, no obstante, si queremos bloquear cualquier voltaje inverso, deberemos conectar en serie con el GTO un diodo. Si deseamos que pase la corriente, deberemos conectar un diodo en antiparalelo con el dispositivo.
CKTO DE DISPARO DEL GTO
APLICACIÓN DE TIRISTORES: Convertidor de fase monofasico
• Al igual que un puente rectificador T1 y T2 operan en una alternación mientras que T3 y T4 operan en la otra.
• Sin embargo Cuando la carga es inductiva y la corriente nunca se hace cero, una pareja sigue conduciendo mas allá de 180 grados hasta que la otra pareja recibe el comando de empezar a conducir.
• La corriente en la carga es directa mientras que del lado ac es una onda cuadrada.
• El valor promedio del voltaje aplicado en este caso es positivo como aparece en la figura.
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Convertidor de fase monofásico
• Cuando el ángulo de disparo es mas allá de 90 entonces el promedio del voltaje es negativo.
• En este caso si aplicamos esta señal a un motor que tenia una energía cinética almacenada, esta operacion se va a comvertir en frenado regenerativo(segundo cuadrante )
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Voltaje de salida del convertidor
Para conducción continua el voltaje de salida viene dado por la ecuación:
cos2)()sin(1
mssmdc
VtwdtwVV
)cos(cos yVV mdc
Para conducción discontinua el voltaje de salida viene dado por la ecuación:
Para conducción discontinua el voltaje de salida es mas alto que para el de continua:
Para conducción discontinua se ha considerado un carga resistiva donde la conducción solo se lograra hasta 180 grados.
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Ejemplo: Modo continuo y discontinuo
• Encuentre el voltaje promedio de un rectificador para VRMS=120V α=30 Para modo continuo y Para modo discontinuo γ+α=π (carga resistiva).
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Efecto de la impedancia de la fuente
• Debido a la impedancia de los transformadores o alguna introducida intencionalmente, los tiristores opuestos se encienden (cortocicuitando el DC Bus) haciendo el voltaje aplicado a la carga igual a cero y reduciendo el voltaje efectivo a
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)cos(cos)()sin(1
mssmx
VtwdtwVV
m
dclss
VILcoscos 1
Igualando este voltaje con la caida en la inductancia dclss ILw
Convertidor trifásico• Cuando se cuenta con
aimentación trifásica el convertidor utiliza 6 tiristores. El tiempo de conducción de cada uno se reduce de 180 a 120 grados máximos. durante ese periodo 60 grados trabaja con un tiristor opuesto diferentes. Por lo el controlador tiene que producir 6 señales diferentes( cada 60 grados) .
• Este convertidor produce una salida con mucho menos rizado que el convertidor monofásico.
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Formas de onda del convertidor trifásico
• Para apreciar cada segmento de conmutación se grafican los voltajes de líneas y sus inversos. Es decir Vab y Vba. Estas dos ondas sinusoidales estan defasadas 180 grados. De esta manera solo hay que escoger cual de los voltajes esta en la parte superior.
• Los tiristores que estan encendido en Vab son T1 y T6 sin embargo en Vba son T3 y T6.
• Cada transistor permanece encendido 120 grados pero que cada 60 grados se apaga uno y se enciende otro.
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Operando el convertidor trifasico en el segundo cuadrante
• Si queremos aplicar un voltaje negativo promedio a la carga para recuperar parte de la energía almacenada en la carga, hay que disparar los transistores con un valor de alpha mayor 90 grados similar al convertidor monofásico
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Curva de transferencia • Para determinar el
voltaje de salida integramos el voltaje dese 60 grados +alpha hasta 120grados +alpha
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cos3sin33/
1 32
3
32
3
mssmsabdc VtwdtwVtwdVV
Linearizando el voltaje de control• El voltaje dc es un función
no lineal del angulo de disparo.
• Para linearizar el contol de comando debemos usar
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crdc
cncm
c
VKVmV
VVV
cos3
coscos 11
TOSHIBA
Algunos fabricantes de tiristores