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Experiencia Nº 01: MEDICIÓN DE LAS CARACTERISTICAS ESTÁTICAS DEL TRISISTOR Y DEL TRIAC. Luis Eduardo Picon Loli

20151315E

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú [email protected]

INTRODUCCIÓN En este laboratorio vamos a ver las caracteristicas y funcionamiento de un triac y tiristor, tanto la corriente de engache, corriente de matenimiento, y tambien los voltajes de los mismo, asi mismo poder saber como controlar de manera eficiente los triac y tiristores.

I.

OBJETIVO

el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión).

El laboratorio deacuerdo a sus experimentos tiene como finalidad:   

Ver las caracteristica de funcionamiento de un tiristor y triac. Ver el angulo de disparo cuando una tension se matiene constante, puede ser tanto de la fuente como la de gate. Ver el funcionamiento de triac cuando las fuentes se invierten, pueden ser de una a la vez como las dos al mismo tiempo.

II.

Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.

TEORÍA

A. Caracteristicas principales de un tiristor. El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por lo tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente, este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance

A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo.

B. Caracteristicas principales de un triac. Un Triac o un tríodo para corriente alterna es un dispositivo semiconductor. De la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor es que este es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.

Entonces un tiristor o SCR, dará solo la mitad de voltaje a la carga, mientras que el Triac será todo el voltaje. De forma coloquial podría decirse que el Triac es un switch que conmutar la corriente alterna a la carga. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en antiparalelo. Cuando el Triac conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el Triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el Triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto. Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al Triac (dv/dt) aún sin conducción previa, el Triac puede entrar en conducción directa. C.

Metodos de disparos para un triac. El Triac estándar puede ser disparado por circulación de corriente positiva o negativa entre compuerta y MT1. (Las reglas para VGT, IGT e IL son al igual que para el tiristor) esto permite el disparo del Triac en cuatro cuadrantes como se muestra en la siguiente figura.

b) Retraso mayor entre IG y el principio de la circulación de corriente principal, esto requiere una mayor duración de IG. c) Mucha menor capacidad de di/dt esto puede implicar una degradación progresiva de puerta cuando controlamos cargas con di/dt iniciales (P.E: filamentos de lámpara incandescente fría). d) Mayor IL (también cierto para la 1º operación) - > IG más largo, la duración mayor podría necesitarse para cargas muy pequeñas cuando conduzcan desde el comienzo de un hemiciclo para permitir la corriente de carga alcanzar el IL. En controles comunes de ángulo de fase, como por ejemplo atenuadores de luces y controles de motores universales (taladros de mano), la polaridad de la tensión entre compuerta y MT2 son siempre las mismas. Esto significa la operación es siempre en el 1º o 3º cuadrante, donde él los parámetros de conmutación del triac son iguales. Esto resulta en un simétrico funcionamiento de conmutación del triac donde la puerta está a su más sensible estado. Nótese que: El 1+, 1-, 3- y 3+ como indicaciones, para los cuatro cuadrantes, se usa para la brevedad en vez de escribir "MT2+, G +" para 1+, etc. Esto se deriva desde las curvas características de V/I del triac. De aquí en adelante, la operación está en cuadrantes 1 y 3 únicos. Los símbolos + y serán para referirnos al interior a corriente entrante de compuerta y saliente respectivamente.

D. Metodos alternativos de disparos. Hay algunas formas con las que un triac puede encenderse. Algún son benignas, mientras otras son potencialmente destructivas.

Donde la compuerta debe ser excitada por Corriente Continua o por pulsos unipolares en el cruce por cero de la corriente de carga, corriente negativa de compuerta es la preferida por las siguientes razones. La construcción interna de los triac medios hace que la compuerta este más alejada desde la región de portadores mayoritarios cuando opera en el 3º cuadrante. Esto resulta en: a) IGT más alta, esto implica un pico más alto de IG requerido.

(a) Señal de ruido en la compuerta. En ambientes eléctricamente ruidosos, disparos espurios pueden ocurrir si el nivel de ruido excede la tensión VGT y si suficiente corriente de puerta circula para iniciar acción regenerativa dentro del triac. La primera línea de defensa es minimizar la ocurrencia del ruido en primer lugar. Uno de los mejores resultados es logrado por realizar las conexiones de puerta tan corta tan sea posible y asegurando que el retorno común desde el circuito de disparo se conecte directamente al terminal MT1 (o cátodo en el caso de un tiristor). (Los tiristores y triac de potencia incluyen este terminal en su dispositivo). En situaciones donde las conexiones de puerta son de conductor macizo, par torcido o apantallado podría ser necesario minimizar acortarlo. La inmunidad adicional de ruido puede proveerse agregando un resistor de 1kW o menor entre la puerta y MT1 para reducir la sensibilidad de puerta. También es posible la utilización de un capacitor de

tipo cerámico o de poliéster para filtrar las altas frecuencia o dv/dt. La Alternativa de usar una serie H de triac (p. ej. BT139-600H). Estos son los tipos insensibles con 10 mA min. De IGT. Estos son triac diseñados específicamente para proveer un alto el grado de inmunidad de ruido.

Nótese que la resistencia de la red snubber nunca debe omitirse, porque si así fuere cuando el triac se dispare, pueda sufrir daños, debido a el dispositivo puede superar el valor máximo de di/dt permitido al descargarse el capacitor entre los bornes MT1 y MT2 sin limitación de corriente. (c) Excediendo el valor permitido de di/dt.

(b) Excediendo el valor permitido de dv/dt. Esta es la más probable ocurrencia cuando tenemos una carga altamente reactiva, donde existe un considerable desfasaje entre la tensión de carga y la corriente de la misma. Cuando el triac conmuta, esto es la corriente se hace cero, la tensión aplicada en los bornes del mismo no es cero, debido al desfasaje entre ambas magnitudes, como es mostrado en la figura siguiente. El triac entonces repentinamente requerirá bloquear esta tensión. El resultado de esta conmutación puede forzar al triac a volver al estado de conducción si se excede el valor permitido de dv/dt. Esto es debido a que los portadores en la juntura no tienen el tiempo suficiente para abandonarla totalmente. La capacidad para soportar dv/dt es afectada por dos de condiciones: • El valor de la caída de corriente en la conmutación esto es la di/dt. Alta di/dt implica una capacidad de dv/dt. • La temperatura de juntura Tj. Si esta temperatura aumenta disminuye la capacidad de soportar dv/dt.

Altas di/dt son causadas por cargas altamente inductivas, alta frecuencia de línea o onda no senoidal de corriente de carga. Una causa bien conocida de corrientes de carga no senoidales y de di/dt un rectificador que alimenta una cara inductiva. Esto puede generalmente implicar una conmutación fallada en un triac común. Como la tensión de alimentación baja mas, el EMF la corriente de la carga y del triac baja rápidamente a cero. El efecto de esto se muestra en la Figura siguiente. Durante esta condición de corriente cero de triac, la corriente de carga será informal sobre el circuito rectificador. Las cargas de esta naturaleza pueden generar di/dt tan altas que el triac no las soportar una dv/dt suave reaplicada de 50 Hz que sube desde cero Volt. En este caso no trae ningún beneficio poner una red snubber, ya que el problema no es la dv/dt. La di/dt tendrá que ser limitada agregando una inductancia de algunos mH en serie con la carga.

(d) Excediendo el valor permitido de dv/dt.

Si el triac es probable que supere la máxima dv/dt permitida por el dispositivo, es probable también, que sufra falsos disparos. La manera más común para mitigar este problema es con el uso de una red RC de amortiguación. Estas redes se las conoce como red snubber. Esta deberá estar entre los terminales MT1-MT2 para limitar el valor de cambio de voltaje. Los valores comunes son: resistencia de 100 W de carbón elegida por su manejo de corriente y un capacitor de 100nF. Otra alternativa es usar un Hi-Com triac.

Si un valor muy alto de cambio de voltaje se aplica a través de un triac bloqueado (o el tiristor sensible de puerta en particular) sin exceder su VDRM (en Figura. 8), por la capacidad interna puede circular la corriente suficiente para activar al triac, esta condición se ve magnificada por el aumento de la temperatura. Cuando ocurre este problema, la dv/dt debe ser limitada por una red snubber entre sus terminales MT1 y MT2 (o ánodo y cátodo, para el caso del tiristor). La utilización de Hi-com triacs en este caso puede ser beneficioso.

ESPECIFICACIONES DEL TIRISTOR BJ151 III.

DATA SHEET Y HOJA DE DATOS

CURVA CARACTERISTICAS DE BJ151

IV.

EQUIPOS Y MATERIALES

Los materiales a utilizar en el laboratorio son:     

1 SCR TIRISTOR BT151. 1 TRIAC TRIAC BT515. 1 RESISTENCIA DE 220 Ω /5W. 1 RESISTENCIA DE 2 KΩ / 0.5W. 2 FUENTES DE ALIMENTACIÓN.

V. A.

B.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA

Arme el circuito mostrado de la figura

Coloque V2 en 12v y aumente el valor de V1 desde 1 voltio en pasos de 0.1V conectando y desconectando R2 en cada paso hasta que conduzca el tiristor permanentemente. Anote el valor de V1 de VR1 en R1 y VAK(ON). 𝐼𝐿 =

𝑉𝑅! 𝑅1

C.

Estando conduciendo desconecte la resistencia R2 = 2K y verifique el valorde V1 como en el caso anteior. Luego desminuya lentamente el valor de V1 hasta que deje de conducir el tiristor y anote el valor de V1. La corriente de mantenimiento será: 𝑉1 − 𝑉𝐴𝐾 (𝑂𝑁) 𝐼𝐻 = 𝑅1 D. Coloque el valor de V1 en 12V. Aumente el valor de V2 desde 0 voltios hasta que conduzca el tiristor y anote el valor de VR2 en R2. La corriente de puesta a mínima para disparar al tiristor será: 𝑉𝑅2 𝐼𝐺𝑇𝑚𝑖𝑛 = 𝑅2

E.

Repita los pasos del (1) al (4) reemplazando al tiristor por un TRIAC.

F.

Repita los pasos del (1) al (4) invirtiendo la polaridad de la fuente de alimentación solo de V1. Repita los pasos del (1) al (4) invirtiendo la polaridad de la fuente de alimentación solo V2 con R2=220Ω / 5w. Repita los pasos del (1) al (4) invirtiendo la polaridad de las dos fuente de alimentación con R2=220Ω / 5w.

G.

H.

VI.

BIBLIOGRAFÍA

[1] [2]

Electronica de potencia. Muhamad H. Rashid. Fuente del navegador http://wikipedia.org

[3]

Fuente del navegador http://epower.wikispaces.com/file/view/presentacion5.1.pd f http://www.fra.utn.edu.ar/download/carreras/ingenierias/e lectrica/materias/planestudio/quintonivel/electronicaII/ap untes/triac.pdf