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Title3-2 Circuitos Disparo
TagsTransistor Transformer Rectifier Electric Current Capacitor
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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA II – ING. ELECTRICA
3-5 métodos y circuito disparo tiristores.
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Apunte de cátedra Autor: Domingo C. Guarnaschelli

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CIRCUITOS DE DISPARO DE TIRISTORES PARA RECTIFICADO RES
CONTROLADOS


El circuito de disparo o excitación de compuerta de los tiristores, es una parte integral
del convertidor de potencia. La salida de un convertidor, que depende de la forma en
que el circuito de disparo excita a los dispositivos de conmutación (tiristores), es una
función directa del proceso de cómo se desarrolla l a conmutación. Podemos decir
entonces que los circuitos de disparo, son elementos claves para obtener la salida
deseada y cumplir con los objetivos del �sistema de control�, de cualquier convertidor
de energía elØctrica.
El diseæo de un circuito excitador, requiere el conocimiento de las características
elØctricas de compuerta del tiristor específico, que se va a utilizar en el circuito principal
de conmutación. Para convertidores, donde los requi sitos del control no son exigentes,
puede resultar conveniente diseæarlo con circuitos discretos. En aquellos convertidores
donde se necesita la activación de compuerta con co ntrol de avance, alta velocidad, alta
eficiencia y que ademÆs sean compactos, los circuitos integrados para activación de
compuerta que se disponen comercialmente, son mÆs conveniente.
Las partes componentes de un circuito de disparo para tiristores usados en los
rectificadores controlados por fase, a frecuencia industrial, son los siguientes: El
circuito sincronizador, el circuito base de tiempo para retrasar el disparo, el circuito
conformador del pulso, el circuito amplificador del pulso (opcional), el circuito aislador
y finalmente el circuito de protección de la compue rta del tiristor. El diagrama en
bloques siguiente, nos da una idea gral, de la Inter relación de estos componentes:



Tensión CA
de la red
elØctrica

Sincronizador
(Detector de

cruce por cero)

Circuito con
base de tiempo
para el retardo
del Ængulo de

disparo

Entrada
Seæal de
control

Generación y
amplificación del
pulso de disparo

Aislador del
circuito de

disparo con los
circuitos de

conmutación

Protección de
la compuerta

del tiristor

SCR1
SCR2

.

.
SCRn

Carga

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Circuito sincronizador: Este circuito, se encarga de iniciar la base de tiempo en
sincronismo con la frecuencia de red, de manera tal de retrasar el mismo ángulo
(respecto al cruce por cero de la tensión de red), el pulso de disparo, en todos los
semiciclos.

Entrada señal de control: Esta señal es la que determina el retraso del ángulo de
disparo, señal generada en forma manual o a través de un sistema realimentado. Para
este ultimo caso, la señal se genera por la interacción de la señal de referencia, la señal
realimentada y el algoritmo de control (proporcional, proporcional+integrador, etc.).

Circuito base de tiempo: En los circuitos analógicos, la base de tiempo se genera por
medio de un circuito tipo RC, o sea a través de la carga de un condensador, con una
constante de tiempo τ=CR., hasta una tensión que genera un pulso de disparo. En los
sistemas programables, la base de tiempo se genera por programación o por medio de
un temporizador interno que se carga también por programación.

Generación de los pulsos de disparo: Para la generación de los pulsos, se disponen de
muchas variantes de circuitos, con aplicación de transistores bipolares o mediante
semiconductores específicos, que generan, cortos pulsos de disparo.

Circuito de aislamiento entre el generador de pulsos y el circuito convertidor:
fundamentalmente se utilizan dos técnicas. Una es la de utilizar un transformador
aislador de pulsos y la otra un dispositivo semiconductor foto controlado de silicio,
también llamado opto acoplador. Otra técnica utilizada es a través de las fibras ópticas
con emisor en el circuito de disparo y receptor en el circuito de compuerta.

Protección de la compuerta: Se utilizan circuitos de protección contra disparos por
tensiones espurias.
Mas adelante, desarrollaremos con mas amplitud, estos elementos que componen el
circuito de disparo.

SEMICONDUCTORES QUE GENERAN PULSOS DE DISPARO

Existen una gran variedad de dispositivos semiconductores que pueden utilizarse para
generar pulsos de disparo. Entre ellos tenemos aquellos que actúan como transistores y
otros lo hacen como tiristores. Se los utiliza para generar pulsos de disparo en circuitos
de relajación (osciladores) o como disparadores por nivel de tensión.
Transistores disparadores:

UJT : Transistor unijuntura.
CUJT: Transistor unijuntura complementario
DIAC: Disparador bidirecional tipo npn.

Tiristores disparadores:

PUT: Transistor unijuntura programable.
LAPUT: Transistor unijuntura programable activado por luz.
DIODO SCHOCKLEY: Diodo tiristor.
SUS : Conmutador unilateral de silicio
DIAC: Diodo tiristor bidireccional

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a) Selección del SCR:

Consideramos el caso mas desfavorable o sea la carga máxima con un ángulo de
conducción de 180º, con una carga RL = 100 Ω.
_ _
ITM = (1/2Π).∫0

Π (√2.220/RL). Sen wt dwt = (√2.220/RL.Π) = 1 A (corriente media)
______________________________ _
ITef. = √(1/2Π).∫0

Π (√2.220/RL)2. Sen2 wt dwt = (√2.220/RL.2)=1,55 A (corriente eficaz)
_
VRWM = Vm = √2.220 V = 310 Volt (tensión máxima inversa repetitiva).

A estos valores máximos es aconsejable adicionar factores de seguridad comprendidos
entre 2 y 3. Si tomamos 2, entonces debemos seleccionar en 1º instancia un SCR con
los siguientes valores eléctricos:

ITM ≥ 2A
ITef. ≥3 A
VRWM ≥600 volt


b) Calculo del circuito de disparo

b1) Determinación de RB1:
La finalidad de RB1 es evitar como dijimos, disparos
imprevistos del SCR (con trafo de pulsos no se coloca), al drenar parte de la corriente
que circula por el UJT por la resistencia internase RBB. Por lo tanto debe ser lo mas
bajo posible, siempre que asegure el disparo del SCR. Utilizaremos un UJT 2N4947 que
tiene las siguientes características, para una tensión de alimentación de 20 volt:

RBB = 6 KΩ , η = 0,60 , Iv = 4 mA , Vv = 3 volt , Ip = 2µA.

IR1= 20 V / (RB2+RBB+RB1) ≈ 20 V / RBB = 20 v/ 6 KΩ = 3,3 mA

Dado que la mayoría de los SCR se disparan con una tensión de 0,7 a 1 volt, tomamos
entonces una tensión sobre RB1 de unos 0,3 volt. De esta forma nos permite un margen
de tensión de ruido de o,4 volt (0,7-0,3), que es un valor aceptable.

RB1 = VRB1 / IRB1= =,3 V / 3,3 mA ≈ 100 Ω


b2) Calculo de RB2 :
Esta resistencia tiene la misión de estabilizar térmicamente a los
UJT. Se determina experimentalmente o por medio de graficas. Para la mayoría de los
UJT, se estabilizan con resistencias de valor entre 500 Ω a 3 KΩ. Nosotros la vamos a
calcular con la formula teórica desarrollada anteriormente:

RB2 = V D. RBB / (VCC. η ) + (1-η. RB1) / η = (0,6.6)/(20.0,6) + (1-0,6)/0,6.0,1 = 315 Ω

Adoptamos RB2 = 470 Ω

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b3) Determinación de REmin, REmax y el capacitor CE.

Previamente, debemos observar la grafica de la característica V-I del Terminal de
Emisor del UJT


Determinaremos primero, el valor de REmax que permite que el UJT se dispare. Se
producirá cuando el capacitor se cargue con la tensión Vc = Vp, a traves de Re y Vz
como tensión de alimentación, Como vemos en la grafica, entonces el valor de REmin
vale:
REmin = (Vz-Vp) / Ip = (Vz- Vz.η) / Ip = (20 – 20.0,6) / 2µA = 4 MΩ

Esto significa que RE deberá ser menor de 4 MΩ para que la tensión en el capacitor,
llegue a la tensión de disparo Vp del UJT.
Para calcular RE min, es necesario que la recta de carga no intercepte un punto de la
característica V- I del UJT que presente resistencia positiva, porque si ocurre esto , el
UJT se dispara una vez y luego queda bloqueado. En la grafica, vemos que el punto
limite, esta dado para IV y Vv . El valor mínimo de RE lo calculamos como:

REmin = ( Vz- Vv) / Iv = (20 V- 3 V) / 4 mA = 4,25 KΩ

El valor REmin calculado, significa que RE no debe ser inferior a 4,25 KΩ para que el
UJT, una vez disparado, vuelva a bloquearse.

Adoptamos RE min = 10 KΩ.
Para calcular el valor de la resistencia del potenciómetro de manera tal que

RE = RE min + REp

Nos conviene tomar la media geométrica en lugar del valor promedio, dado que los dos
valores extremos difieren mucho:
____________ __________
RE = √REmin.REmax = √ 4,25 . 4x103 ≈ 64 KΩ

Con este valor, podemos calcular el capacitor, teniendo en cuenta que llegue a la tensión
de disparo Vp en el tiempo de t= T/2, cuando RE tiene su valor máximo.

IE



IV

IP

IEBO


VV VK VP
V Vc

Emisor IE Base 2



Base 1


VE
Símbolo

Características tensión –corriente
del terminal Emisor-Base 1

REmax REmin

Vz VE

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Se puede alargar el ancho del pulso conectando un capacitor “C” en paralelo con el
resistor “R”. El transformador conduce corriente unidireccional y el núcleo magnético
se puede saturar limitando así el ancho del pulso. (Se logran pulsos de 50 a 100µseg)

4) Generación de tren de pulsos


En numerosos convertidores de potencia eléctrica, las cargas son del tipo inductiva, por
lo que el periodo de conducción de un tiristor depende del factor de potencia (FP) de la
carga. La consecuencia de esto, es que no se sabe exactamente el inicio de conducción
del tiristor (la corriente tiene un periodo relativamente largo para que el tiristor se
active). En este caso resulta conveniente disparar en forma continua a los tiristores.;
pero esto hace aumentar las perdidas en el tiristor, por lo que resulta conveniente
dispararlo con un tren de pulsos. El circuito anterior permite la generación de un tren de
pulsos, por la acción del devanado auxiliar N3. Cuando se aplica la tensión en la
entrada V1, el capacitor C1 se carga a través de R1, haciendo conducir a Q1; esto
provoca conducción en el devanado primario lo que induce un pulso de tensión en N2
(hacia el tiristor) y N3, que polariza negativamente al diodo D1. Esto provoca el corte
de Q1; al desaparecer la tensión negativa sobre D1, Q1 nuevamente conduce corriente,
generando otro pulso, repitiéndose el proceso, lo que da lugar en la salida de N3, a un
tren de pulsos que durara hasta tanto se mantenga la tensión V1 en la entrada. A este
tipo de circuito se le denomina “Oscilador de pulsos de bloqueo”.

5) Generación de tren de pulsos con oscilador y compuerta lógica AND




Oscilador de pulsos

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A diferencia del circuito anterior, donde el mismo circuito que a través del devanado
N3, se generaba el tren de pulsos, en este caso, se genera externamente, por medio de
otro circuito, como por ejemplo, utilizando un CI555. Con una etapa de control y
excitación del tipo de compuerta “Y” (AND), se logra controlar el inicio y final del tren
de pulsos, mediante la tensión V1.

Protección en los circuitos de compuerta




La salida de los circuitos de disparo, se conectan normalmente, para el caso de un SCR,
entre la compuerta y el cátodo, junto con otros componentes que actúan como
protectores de la compuerta. Para el circuito (A) de la figura anterior, el capacitor “Cg”,
cumple la misión de eliminar los componentes de ruido eléctrico de alta frecuencia,
aumenta la capacidad de dv/dt y el tiempo de retardo de la compuerta del tiristor.
Para el circuito (B), el resistor “Rg” aumenta la capacidad del valor dv/dt del tiristor,
reduce el tiempo de apagado y aumenta las corrientes de sujeción y enganche.



Para el circuito (C), el diodo “Dg”, protege la compuerta contra el voltaje negativo. Sin
embargo, para los rectificadores controlados de silicio, como el SCR, resulta
conveniente tener cierta cantidad de voltaje negativo en la compuerta, para mejorar la
capacidad de dv/dt y también para reducir el tiempo de apagado.
Todas las funciones mencionadas en los circuitos de compuerta A, B y C pueden
combinarse, como se observa en el circuito “D”, donde además se agrego un diodo D1
que permite solamente que pasen pulsos positivos y la resistencia R1 para limitar la
corriente de compuerta.

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