1

2

Caractersticas de puerta

El circuito puerta-ctodo de un tiristor equivale al diodo P2N2 en serie con la resistencia del camino relativamente largo que los portadores deben recorrer lateralmente por la zona de control. contrariamente a lo que sucede en un diodo normal, la dispersin de la curva caracterstica VPC-IP de una a otra unidad de un mismo tipo es muy grande, de forma que el fabricante se ve obligado a proporcionar las curvas lmite dentro de las cuales estar situada la caracterstica real de un individuo. La figura 18 reproduce dichas curvas lmite para un tiristor de unos 100 A nominales. Las condiciones del circuito nodo-ctodo no influyen sobre estas caractersticas con el tiristor en bloqueo, ya que con tensin directa la unin de control bloquea y asla el circuito de puerta y con tensin inversa la unin de nodo hace la misma funcin. Sera interesante conocer el valor de la intensidad y tensin de puerta que dispara a cada tiristor de un mismo tipo. Estos valores no dependen apenas de la tensin nodo-ctodo para valores de sta suficientemente altos, pero si varan mucho con la temperatura necesitndose mayor tensin o intensidad

3

Disparo con del SCR con fuente de cd

En el circuito de la figura 19, se pretende conocer los valores de la fuente de tensin continua Vs y de la resistencia Rs adecuados para provocar el disparo del SCR, sin que signifique riesgo para la integridad del dispositivo.

4

Figura 19.- Circuito de disparo por corriente de puerta de un SCR con fuente de tensin continua

Las variables involucradas en el diseo del circuito de la figura 19 son: Vs.- fuente de tensin de cd requerida para el disparo. Su valor puede estar dentro de un rango limitado por Vs max y Vs min. Rs.- resistencia limitadora de la corriente de puerta. Su valor puede estar dentro de un rango limitado por Rs max y Rs min. IGT.- valor de la corriente de puerta mnimo para el disparo. Esta tiene un valor de Io=0.75 mA en la grafica de la figura 20. VGT.- valor del voltaje entre puerta-ctodo mnimo para el disparo. Este tiene un valor de Vo=2 V en la grfica de la figura 20. RG.- resistencia interna de la unin puerta-ctodo. Su valor puede estar dentro de un rango limitado por RG max y RG min IG max.- lmite de la corriente de puerta que la unin puerta-ctodo puede soportar so riesgo de rebasar la potencia de puerta mxima. La ecuacin que nos representa la recta de carga (D1 en la figura 20)del circuito puerta-ctodo es

Vs min = Rs max . IGT + VGT

5

Ahora bien, la potencia mxima disipada en la puerta, si RG (max) < = RS (min) es:

(max) (max) (min)

(max) (max)

2

G

GS

GFS RRR

VsP

igualando esta expresin a PGAV (max) del tiristor (0.5 W);

(max)

(max) (max) (min) (max)

G

GAV

GSSR

PRRV

Disparo del SCR con fuente de ca Para el disparo en c.a., el circuito bsico pasa a ser el de la figura 21. En ese caso:

6

Figura 21

La excurcin inversa de la tensin de puerta debe permanecer inferior al valor mximo admisible, lo que explica la utilizacin del diodo de proteccin D. La potencia de ataque mxima de pico PGFS (max) puede aumentarse a condicin de no sobrepasar la potencia media de puerta. El valor de VS eff(min) es entonces el mismo que el calculado anteriormente para el disparo en c.c.

Vs eff min = Rs max . IGT + VGT

El valor de Vs (max) viene dado por:

maxmax(min)

2/(max)

2

1(max)

2

RGRGRs

VsPGAV

Que representa la potencia media mxima disipada en la puerta durante un perodo completo. El valor de Vs eff (max) est dado por

2

maxmax

VsV effs

y la potencia de pico mxima por

max*maxmin

maxmax

2

RGRGRs

VsPGFS

La relacin cclica efectiva para el disparo est definida por:

7

Se comprueba de esta forma que la potencia media por perodo (puesto que una de las semiondas est bloqueada) es igual a la que se obtendra con impulsos rectangulares de una duracin igual a un cuarto de perodo, y de amplitud Vs. Disparo por la propia fuente de alimentacin nodo-ctodo de corriente alterna. El disparo del SCR puede obtenerse en forma automtica por medio de la fuente de alimentacin como se indica en la figura 22.

8

Figura 22

Con este mtodo no solo se consigue el disparo del tiristor sino tambin su conmutacin de forma natural o en lnea. La resistencia Rg limita la corriente mxima de puerta Ig max; el diodo D1 bloquea la corriente inversa de puerta durante la alternancia negativa . Cuando el interruptor K se cierra la resistencia Rg es sometida a la tensin alterna de la alimentacin (es) y deja pasar una corriente Ig. Durante la alternancia positiva esa corriente sube a partir de cero hasta el valor justo en que es suficiente para producir el disparo del tiristor. El valor del voltaje de la fuente en el momento del disparo es

tsenEmes

Donde Em, es el valor mximo del voltaje de la fuente de poder. Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff a la malla del circuito de puerta tenemos

GTFGTs RgIVVe

Por lo que el valor de Rg para el ngulo de disparo correspondiente se consigue con

GT

GTFs

I

VVeRg

y el ngulo de disparo se puede obtener a partir de

9

Em

earcsen s

Para este circuito el ngulo de disparo esta comprendido entre 0 y 90 solamente. Los valores lmite de la resistencia de gatillo (Rg) son:

GTG I

max Emax Rg,y

max ,I

max Emin Rg,

SEALES DE DISPARO

10

Siendo el sistema utilizado para disparar tiristores la aplicacin de una seal en la puerta, se distinguen tres modalidades de disparo, segn la forma de esta seal:

Corriente continua

Corriente alterna

Impulsos o trenes de ondas Los tiristores estn comnmente especificados en trminos del voltaje y corriente continuos de DC requeridos para dispararse. Para anchos de pulso debajo de 100 microsegundos, aplican los datos de DC. Para anchos de pulso mas pequeos, VGT e IGT aumentan. La figura 4.16(a) muestra la relacin entre el ancho del pulso y la corriente pico para un pulso rectangular para disparar un SCR del tipo C-106. Cualquier forma de onda unidireccional que no exceda las especificaciones de corriente, voltaje y potencia de puerta, puede ser usada si la carga total es adecuada. La figura 4.17 muestra le incremento en corriente y voltaje de puertas requeridos para disparar con seales de pulso de corta duracin. En correspondencia para el disparo de un SCR, debe permitirse que la corriente de nodo se construya lo suficientemente rpido de tal forma que la corriente de enclavamiento sea alcanzada antes que el pulso se termine.

Figura 4.16 Efecto del ancho del pulso de disparo

11

12

13

14

15

16

AISLAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE MANDO Acopladores pticos

En los convertidores con tiristor, existen diferencias de potencial entre las diversas terminales. El circuito de potencia est sujeto a un alto voltaje, por lo general mayor que 100 V, y el circuito de compuerta se mantiene a un voltaje bajo, de 12 a 30 V en forma tpica. Se requiere un circuito de aislamiento entre un tiristor individual y su circuito generador de pulsos de compuerta. El aislamiento se puede lograr mediante transformadores de pulsos o con optoacopladores. Un optoacoplador podra ser un fototransistor, o un rectificador fotocontrolado de silicio (foto-SCR), como el de la figura 17.12. Un pulso corto a la entrada de un ILED D1, activa al foto-SCR T1 y se dispara el tiristor de potencia TL. Este tipo de aislamiento requiere una fuente de alimentacin separada, VCC y aumenta el costo y el peso del circuito de disparo.

Los acopladores pticos combinan un diodo emisor de luz infrarroja (ILED) y una variedad de dispositivos semiconductores activados por luz. La seal de entrada se aplica al ILED y la salida se toma del semiconductor optoactivado. Los tiempos de elevacin y de bajada (abatimiento) de los elementos fotoactivados son muy cortos, con valores tpicos de tiempo de activacin t(on)= 2 a 5 microsegundos y un tiempo de abatimiento t(off)= 300 nanosegundos. Estos tiempos de activacin y abatimiento restringen las aplicaciones de alta frecuencia. Transformadores de pulsos

Un arreglo sencillo de aislamiento con transformadores de pulso, se ve en la 17.13 a. Cuando se plica un pulso de voltaje adecuado a la base del transistor de conmutacin Q1, el transistor se satura, y aparece el voltaje cd, Vcc, a travs del primario del transformador, induciendo un voltaje pulsante en el secundario del transformador, que se aplica entre las terminales de compuerta y de ctodo del tiristor. Cuando el pulso se retira de la base del transistor Q1, el transistor se apaga y se induce un voltaje de polaridad contraria a travs del primario y conduce el diodo Dm de corrida libre. La corriente debida a la energa magntica disminuye hasta cero a travs de Dm. Durante esta disminucin transitoria, se induce el correspondiente voltaje inverso en el secundario. Se puede alargar el ancho del pulso

17

conectando un capacitor C en paralelo con el resistor R, como se ve en la figura 17. 13 b. El transformador conduce corriente unidireccional, y el ncleo magntico se puede saturar, limitando as el ancho del pulso. Esta clase de aislamiento de pulso es adecuada en forma tpica para pulsos de 50 a 100 microsegundos

Los transformadores de impulsos suelen trabajar en una gama muy amplia de frecuencias ( de 50 Hz a centenares de kHz), con factores de trabajo tambin variados, que van desde impulso estrechos de pocos grados hasta ondas cuadradas (180). Por ello, la caracterizacin de estos componentes (para no sobrepasar su induccin magntica mxima para la que han sido diseados), se apoya, mas que en una frecuencia y una tensin de trabajo, en la integral tensin-tiempo que admitan partiendo de un estado de reposo magntico. La integral tensin-tiempo de los transformadores de impulsos comerciales suele estar comprendida entre 100 y 10 000 V microsegundo (1 V microsegundo=1 microWb). Por ejemplo, un transformador de 200 Vmicroseg, puede funcionar con impulso de 20 V y 10 microsegundos o de 2 V y 100 microsegundos. Los transformadores de impulsos para control de tiristores se fabrican con uno o varios secundarios, siendo generalmente la relacin de transformacin del primario a cada secundario de 1:1 o 1:2.

18