INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MATAMOROS

ING. ELECTRÓNICA

Actividad No.5:Problemario de circuitos de disparo

Materia: Electrónica de potencia

Profr.: Carlos Octavio de la Cerda Ibarra

Alumna: Diana Itzel Banda Morales

No. De control: 11260073

Período: Semestre Enero-Junio 2014

H. Matamoros, Tam., a 28 de Febrero del 2014

1. Conteste correctamente las siguientes preguntas

3.10 Después de que el UJT es encendido, ¿Qué le pasa al valor de RB1? ¿Cómo puede el valor de

VP ser variado para un UJT dado? ¿Cómo es el apagado del UJT?

El valor de RB1 disminuye.

Para valores fijos de n y VD el VP variará conforme a VBB es decir

Cuando el voltaje de emisor VE disminuye hasta el punto de valle Vv, el emisor deja de conducir y el

UJT se apaga.

3.11 Considere el circuito de la Fig. P.3.11. El oscilador se supone debe producir pulsos a una tasa

de 10 Khz. Sin embargo, cuando la energía es aplicada al circuito, éste no oscila. El técnico de

pruebas nota que cuando la energía se retira, el circuito oscila temporalmente cuando la tensión

cae a cero. Explique estas observaciones y determine ¿Qué está mal en el circuito? ¿Cómo se debe

modificar el circuito para una correcta operación?

Primero verificamos que se cumpla T=RC

T=RC=(2KΩ)(0.05uF) = 0.0001

f= 1

𝑇 =

1

0.0001=10Khz

Si despejamos n de la fórmula aproximada de R2

n= 104

𝑅2𝑉𝐵𝐵 =

104

(100)20 = 5

Obteniendo el VP

VP = nVBB + VD = (5)(20) + 0.7 = 100.7

Pero VP no puedo ser mayor que VBB, es por eso que el circuito oscila temporalmente cuando el

voltaje cae a 0V.

Se debe modificar la R2 , despejando n de T=RCln(1

1−𝑛), se obtiene n=0.6321 , lo que aplicándolo a

la fórmula aproximada de R2, da como resultado R2 = 791Ω

3.12 Suponga que cuando el interruptor se cierra en la Fig. P.3.12, el motor gira instantáneamente

(sin tiempo de retardo) ¿Cuál de las siguientes podría ser la causa para este mal funcionamiento?

(Puede haber más de una posible respuesta). Explique cada una.

a) El capacitor está en corto

b) R1 es demasiado grande

c) La tensión de alimentación es demasiado grande

d) El SCR es muy sensitivo

e) El UJT está en corto de B2 a B1

a) El ángulo de retardo de disparo está determinado por RC, al estar C en corto, el SCR se dispara

instantáneamente.

e) Si el UJT está en corto, el tiempo de disparo ya no estaría determinado por RC, si no que tomaría

el voltaje directamente de la fuente.

3.13 Explique cuál es la diferencia de operación entre el PUT y el UJT ¿Cuáles son las ventajas de

los PUTs sobre los UJTs?

El término programable se aplica porque RBB, n y Vp, se pueden controlar mediante los resistores

RB1, RB2 y el voltaje de alimentación VBB. El PUT proporciona una medida de control del nivel de

VP requerido para encender el dispositivo. Las corrientes de pico y valle del PUT, son por lo regular

menores que las de un UJT con valores equivalentes. Además el voltaje mínimo de operación

también es menor para el caso del PUT.

3.14 Dibuje y explique y el diagrama a bloques del circuito de disparo de un tiristor

Los tiristores están en la línea de tensión y el circuito de disparo debe estar referenciado a una tierra

lógica asociada con la entrada de control. Por lo tanto, la detección de cruce por cero de la tensión

de línea y el pulso de compuerta generado con el circuito de disparo de compuerta deben estar

aislados por medio de transformadores. El circuito de disparo de compuerta requiere una

alimentación de corriente directa referenciada con respecto al potencial de tierra lógica. Este voltaje

puede ser suministrado por la rectificación de la salida de la línea de voltaje.

El voltaje de sincronización AC es convertido en voltaje de rampa en el bloque de ángulo de retardo,

que se sincroniza con el cruce por cero del voltaje de línea, como se muestra en las formas de onda.

El voltaje de rampa, el cual tiene una amplitud pico a pico constante, es comparado con un voltaje

de control. Durante los semiciclos cuando el voltaje de rampa iguala al voltaje de control, un pulso

de señales de duración controlable es generado. De esta forma, el ángulo de retardo puede ser

variado por encima del rango completo 0-180° y el ángulo de retardo es proporcional al ángulo de

control.

3.15 Dibuje el circuito de disparo de media onda RC para un SCR y explique la función de los

componentes usados. Describa con ayuda de formas de onda como el voltaje de salida es

controlado variando la resistencia.

En el circuito de control, se puede obtener un ángulo de disparo más grande cambiando la fase y

amplitud de la corriente de compuerta. El ángulo de disparo puede ser controlado de 0 a 180°

variando la resistencia Rv.

En el semiciclo negativo, el capacitor C se carga a través del diodo D2 con el valor pico de voltaje. El

voltaje de este capacitor permanece constante en –Emax hasta que la tensión de alimentación

alcanza el valor cero. Ahora como el voltaje de ánodo del SCR pasa por 0 y se vuelve positivo, el

capacitor C comienza a cargarse a través de Rv desde el valor inicial de voltaje –Emax. Cuando el

capacitor se carga con voltaje positivo igual al voltaje de disparo de compuerta VGT (=VG(min) +

VD1), el SCR es disparado y después de esto, el capacitor retiene un pequeño voltaje positivo.

Durante el semiciclo negativo, el diodo D1 evita la ruptura de la compuerta a la unión del cátodo.

3.16 Explique con el diagrama del circuito y formas de onda el oscilador de relajación PUT.

En el momento en que la fuente se conecta, el capacitor comenzará a cargarse hacia VBB volts dado

que en este punto no existe corriente de ánodo. El instante en que el voltaje atraviesa el capacitor

es igual a VP, el dispositivo se disparará y se establecerá una corriente IA = IP a través del PUT. Si R es

demasiado grande, la corriente IP no podrá establecerse y el dispositivo no se disparará. El nivel de

R también debe ser tal que asegure que éste sea menor que Iv si se espera que ocurra la oscilación.

En otras palabras, deseamos que el dispositivo ingrese en la región inestable y luego regrese al

estado “apagado”.

Las formas de onda de VA, VG y VK se muestran en la figura. T determina el voltaje máximo al que VA

puede cargarse. Una vez que el dispositivo se dispara, el capacitor rápidamente se descargará a

través del PUT y de RK, y producirá la caída mostrada. Por supuesto que VK llegará al mismo tiempo

al nivel pico, gracias a la corriente breve pero intensa. El voltaje VG rápidamente caerá desde VG

hasta un nivel un poco mayor que 0 V. Cuando el voltaje del capacitor caiga a un nivel bajo. El PUT

nuevamente se apagará y el ciclo de carga se repetirá.

3.17 Describa el circuito de disparo de onda completa RC para un SCR cuando la carga es AC.

Además, dibuje la forma de onda de voltaje asociada.

La potencia puede ser liberada a la carga únicamente durante el semiciclo positivo de es porque el

SCR conduce únicamente cuando está polarizado en directa. Está limitación puede ser superada de

muchas formas. Una de ellas es la mostrada en la figura siguiente:

Aquí el voltaje de línea AC es convertido a pulsante DC por el puente de diodos rectificador de onda

completa. Esto permite al SCR ser disparado en ambos semiciclos del voltaje de línea lo cual duplica

la potencia disponible en la carga.

En este circuito, el voltaje inicial desde el cual se carga el capacitor es casi cero. Cuando el capacitor

se carga a un voltaje igual al VGT, el SCR se dispara y el voltaje Edc rectificado aparece en la carga

como eL .

3.18 Explique el funcionamiento de un oscilador empleando un UJT. Derive la expresión para la

frecuencia de disparo.

𝑓𝑜𝑠𝑐 = 1

𝑇 =

1

𝑅𝐶𝑙𝑛(1

1−𝑛)

Permitámonos considerar la situación en la cual el capacitor

está en 0V (Vc=0) y el interruptor es de pronto cerrado en

t=0 aplicando Edc al circuito. Dado que VE=VC=0, el emisor

del UJT es polarizado en inversa y el UJT se encuentra

apagado. El valor de polarización inversa es Vx volts y puede

obtenerse usando un divisor de voltaje:

En muchos casos R1 y R2 son mucho más pequeñas que RB1

y RB2 y Vx se vuelve aproximadamente igual a nEdc .

En esta condición la única corriente de emisor fluyendo será

una pequeña corriente de fuga, IE0. Además RB1 estará en su

valor de “apagado” (típicamente 4KΩ). Por lo tanto podemos considerar que el emisor está abierto

(IE=0) y el capacitor comenzará a cargar hacia el voltaje de entrada Edc a través de la resistencia R.

El voltaje del capacitor aumenta con una constante de tiempo RC. Este continuará incrementándose

hasta que el voltaje en el emisor llegue hasta el valor de voltaje pico, VP1. Al mismo tiempo, el emisor

se polariza en directa y el UJT se enciende con RB1 cayendo a un valor muy bajo (típicamente 10

ohms). Dado que el diodo está ahora polarizado en directa, el capacitor se descargará a través del

camino de baja resistencia, RB1 y R1.

La constante de tiempo de descarga es normalmente muy corta comparada a su constante

de tiempo de carga. Una expresión analítica para el tiempo de descarga es difícil de obtener ya que

RB1 está cambiando continuamente debido a que la corriente IE decrece. La descarga del capacitor

provee la corriente de emisor necesaria para mantener el “UJT” encendido; este permanecerá

encendido hasta que IE caiga por debajo de la corriente de valle IV, en la cual el UJT se apaga. Esto

ocurre en el tiempo T2 cuando el voltaje del capacitor ha caído al voltaje de valle Vv (típicamente 2-

3 volts). En este momento, RB1 regresa a su valor de “apagado”, el diodo se polariza otra vez en

inversa y IE=0.

El capacitor comenzará a cargarse hacia Edc una y otra vez indefinidamente siempre que la potencia

sea aplicada al circuito. El resultado es una onda típica de diente de sierra periódica como se muestra

en la figura:

3.19 Dibuje y explique el circuito equivalente y la característica V-I del UJT en detalle.

Circuito equivalente

Dos resistores (uno fijo y uno variable) y un solo

diodo. La resistencia RB1 se muestra como un

resistor variable dado que su magnitud variará con

la corriente IE. La resistencia intrabase RBB es la

resistencia del dispositivo entre las terminales B1 y

B2 cuando IE = 0

Característica I-V

Para potenciales del emisor a la izquierda del punto

pico , la magnitud de IE nunca será mayor a IE0

(medidas en microamperes) . La corriente IE0

corresponde de forma muy cercana con la corriente

inversa de fuga IC0 del transistor convencional bipolar.

Esta región, como se indica en la figura, se conoce

como la región de corte. Una vez que la conducción se

establece cuando VE = VP, el potencial del emisor VE

caerá ante el incremento en IE. Esto corresponde de forma exacta con el decremento de la

resistencia RB1 para el incremento de corriente IE. Este dispositivo por tanto, tiene una región de

resistencia negativa que es lo suficientemente estable para ser utilizada con gran confiabilidad en

las áreas de aplicación antes mencionadas. Eventualmente, se alcanzará el punto de valle y cualquier

incremento posterior de IE, colocará al dispositivo en la región de saturación. En esta región, las

características se aproximan a las del diodo semiconductor en el circuito equivalente.

La disminución de la resistencia en la región activa se debe a los huecos inyectados en la

barra de tipo n provenientes de la varilla de aluminio de tipo p cuando se establece la conducción.

El mayor contenido de huecos en el material de tipo n ocasionará un incremento en el número de

electrones libres en la barra, lo que producirá un incremento en la conductividad y una caída

correspondiente en la resistencia. Los otros tres importantes parámetros del transistor monounión

son Ip, Vv e Iv.

3.20 Dibuje y explique el diagrama del circuito para el disparo de rampa. Además, dibuje y

explique las formas de onda de voltaje asociadas.

El puente de diodos rectifica de alterna a

directa. El resistor Rs disminuye Edc a un valor

adecuado para el diodo zener y UJT. El diodo

zener se usa como regulador. El voltaje Vz es

aplicado al circuito de carga RC. El capacitor C

se carga a través de R hasta que llega al voltaje

de disparo VP del UJT. El UJT entonces se

enciende y el capacitor se descarga a través del

emisor del UJT y primario del transformador de pulso. Los bobinados del transformador de pulso

tienen voltajes de pulso en las terminales del secundario. Los pulsos en los dos bobinados

secundarios alimentan el mismo pulso en fase a los dos SCR’s de un circuito de onda completa. El

SCR con voltaje de ánodo positivo encenderá. El radio de incremento del voltaje de capacitor puede

ser controlado variando R. El ángulo de disparo puede ser controlado arriba de 150°. Este método

de control de potencia de salida variando la resistencia R es llamado “control de rampa”, control

de lazo abierto o control manual.

Como el voltaje del diodo zener cae a 0 al final de cada semiciclo, la sincronización del circuito de

disparo con el voltaje de alimentación que atraviesa los SCR’s es alcanzada. Así el tiempo t, igual a

a/w, cuando el pulso es aplicado al SCR por primera vez, permanecerá constante para el mismo valor

de R. Las diversas formas de onda de voltaje se muestran en la Figura:

3.21 Dibuje el diagrama del circuito de disparo de rampa y pedestal usado para el semiconvertidor

monofásico.

La figura muestra el circuito de disparo de rampa y pedestal de dos tiristores conectados en

antiparalelo para controlar una carga de AC. El disparo de rampa y pedestal es una versión mejorada

del disparo del Oscilador UJT sincronizado.

El Vz es constante en su voltaje de umbral. RP actúa como un divisor de voltaje. RP controla la tensión

de pedestal VP. El diodo D permite a C ser rápidamente cargado a VP a través de una baja resistencia

de RP. El ajuste de RP es tal que, este valor de VP es siempre menor que el voltaje de disparo del UJT

nVz. Cuando VP es pequeño, el voltaje Vz carga a C a través de R. Cuando este voltaje VC de rampa

llega a nVz, el UJT se dispara y el voltaje VT, a través del transformador de pulso es transmitido a los

circuitos de compuerta de ambos tiristores T1 y T2. Durante el primer semiciclo positivo el T1 del

SCR es polarizado en directa y es por lo tanto encendido. Después de esto, VC se reduce a VP y de

ahí a 0 en wt =π. Como VC es mayor que VP, durante la carga del capacitor C a través de la carga de

la resistencia R, el diodo D es polarizado en inversa. Así, VP no afecta en ningún modo a la descarga

de C a través del emisor del UJT y el primario del transformador de pulso. En el periodo de 0 a π , el

T1 del SCR es polarizado en directa y encendido. De π a 2π , T2 se enciende. De esta forma, la carga

es sometida a eL alterno.

Con el ajuste de RP el voltaje de pedestal VP de C puede ser ajustado. Con un voltaje bajo de pedestal

a través de C, la carga de rampa de C a nVz toma más tiempo y el ángulo de retardo de disparo es

por lo tanto mayor y el voltaje de salida es bajo. Con un alto pedestal en C , la carga del voltaje de

rampa de c a través de R llega a nVz más rápido, el ángulo de retardo de disparo es más pequeño y

el voltaje de salida es alto.

3.22 Diseñe el circuito de retardo de 30 minutos con PUT

3.23 Explique el circuito de operación del PUT en estado “encendido” y estado “apagado”.

Cuando el voltaje de ánodo es menor que Vg, la unión ánodo compuerta es polarizada en inversa y

el dispositivo PNPN se encuentra en el estado de “apagado”, actuando como un interruptor abierto

entre el ánodo y el cátodo. Cuando el voltaje de ánodo excede Vg por cerca de los 0.5V, la unión

ánodo-compuerta conduce causando el encendido del dispositivo PNPN de la misma forma como lo

hace la polarización directa de la unión compuerta-cátodo de un SCR.

3.24 Con ayuda de un diagrama, explique el funcionamiento de la interfaz por microprocesador

para un tiristor de potencia.

Los microprocesadores y microcontroladores son usados para el control del ángulo de disparo de

los tiristores. Con el fin de diseñar una interfaz para el circuito de compuerta, ambos la lógica y los

requerimientos de la compuerta del tiristor deben ser especificados. La figura muestra la interfaz

de microprocesador para el tiristor de potencia. El microprocesador usado aquí tiene las siguientes

especificaciones:

VCC= 5V

VOH = 2.4V, IOH= 0.3 mA

VOL = 0.4V, IOL = 1.8 mA

Con estas especificaciones, el microprocesador no puede directamente manejar el tiristor de

potencia. Por lo tanto la interfaz del circuito de potencia es usada. Como se muestra, el canal p del

MOSFET es usado como un dispositivo de interconexión. El MOSFET utilizado tiene las siguientes

especificaciones:

VTH = 3V, Id = 0.5 A , Cgs= 400 pF

Rds(on) = 10 ohms

La Resistencia Rg limita la corriente de carga del capacitor Cgs y además determina el tiempo de

encendido del MOSFET .

El MOSFET no encenderá hasta que Cgs se haya cargado a 3V o, con una alimentación de 5V,

aproximadamente la constante de tiempo.

El MOSFET debe proveer al tiristor la corriente de compuerta a través de la resistencia Rgk cuando

la compuerta esta a 3V.

Cuando Rgk = ∞, Rgs tiene el máximo valor.

Dado que la resistencia proporciona una baja impedancia de cátodo a cátodo en el estado apagado,

mejora la inmunidad al ruido del SCR.

Después del encendido, el voltaje de compuerta será de 1V. Por lo tanto, la corriente del MOSFET

será de 200 mA.