INSTITTUTO TECNOLOGICO MUNICIPALANTONIO JOSE CAMACHO

GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA INDUSTRIAL II

TEMA 2: CONTROL DE POTENCIA DE AC CON SCR

2.1. OBJETIVOS

Explicar el funcionamiento de un circuito de control de media onda y onda completa con SCR, para controlar una carga resistiva.

Analizar el ángulo de disparo y el de conducción de un circuito de potencia con SCR, observado como afecta el valor promedio de la carga.

Analizar el funcionamiento de un circuito de control de potencia mediante el uso de una red de defasaje con una red R.C y divisor de tensión.

Explicar las ventajas de los dispositivos de control utilizados en los circuitos de potencia con SCR.

2.2. EQUIPOS NECESARIOS

Fuente de energía(A.C), transformador 12V. Osciloscopio. Multimetro (Análogo o Digital)

2.3. MATERIALES

1- TIC 106 C o SCR 1- Puente rectificador BY127 1- Lampara de 12V 2- Resistencias de 1K ohmios 1- Potenciometro 50K 1- Condensador de 0.22uF

2.4 HERRAMIENTAS

1- Proto- board 1- Pinzas planas 1- Pela cable o corta frío 1- Conectores (caimanes).

1.

2.5 INFORMACION BASICA

El control o regulación de potencia entregada a la carga a través de un tiristor o SCR, se consigue realizando el gobierno del mismo por el ángulo de conducción a lo que es igual, retardando el mismo mediante un circuito RC, por medio de un oscilador de relajación con UJT o por PUT, o por otros medios.

Como tal dispositivo regulador puede utilizarse en:

Control de temperatura Encendido de motores. Control de velocidad de motores. En general, todas aquellas aplicaciones que se requiere un

control de potencia.

2.5.1 CONTROL DE MEDIA ONDA CON EL SCR.

Figura 1. Control de media onda con el SCR.

Según la figura 1, observamos una carga dispuesta en serie entre la fuente de alimentación AC, y el SCR, más un circuito de control que gobierna el disparo. Una vez producido éste, se origina una corriente pulsatoria que al mismo tiempo estará regulada por el tiempo de conducción del SCR, decidido o gobernado por el circuito de control.En el instante de producirse el impulso de control, se provoca el cebado del SCR, cayendo la tensión VAK=0.7V, y permitiendo el paso de la corriente IL, que al atravesar la carga RL, determina la tensión VRL.

2.5.2 METODOS ALTERNADO DE CONEXIÓN DEL SCR A LA CARGA

2.5.2.1 CONTROL DE DOBLE ONDA CON EL SCR

Como ya sabemos, el SCR, un elemento unidireccional, razón por la que el circuito genérico de la figura 1, no puede ser aplicado para el control de doble onda median un SCR. En estos casos se recurre a la disposición mostrada en la figura2, en la que SCR se conecta en la diagonal de continua de un puente rectificador de onda completa dando como resultado un control efectivo sobre la carga en ambos semiciclos de la tensión de alimentación.

2.

Figura 2. Control de doble onda con SCR a) Cargas de corriente continua (CC), b) Cargas de corriente alterna(AC).

La disposición mostrada en la figura 2ª, es conveniente en aquellas aplicaciones en las cargas debe alimentarse con una tensión única de polaridad, siendo su equivalente para cargas de doble polaridad. La figura 2B, son para cargas conectadas en serie entre la tensión alterna y el puente rectificador.Tanto en el control de media onda y el tipo puente, la función del circuito de control es la de producir un impulso de cebado para el SCR, existiendo múltiples formas de realizar este cometido, siendo la más sencilla la de control por variación de ángulo de conducción. 2.5.3 CONTROL DE MEDIA CON SCR Y DIVISOR DE TENSION

Figura 3. Control de media onda con SCR, por ángulo de conducción, mediante divisor de tensión.

La tensión del punto B, es determinada por el divisor de tensión formado por (R1 +RV1) y R2=RG, donde se produce el cebado, transcurriendo un tiempo determinado. La variación del potenciómetro(RV1), nos permite un margen de control

exclusivamente entre 90º y 180º grados. La resistencia R1, limita la corriente de la compuerta, cuando RV1, tenga un

valor mínimo.3.

1K

Punto de disparoVin = 2.87V

1K

1K

TIC106

200A

Lampara 12V

12VAc

50K

La resistencia R2, esta entre la compuerta y el cátodo para hacer menos sensible el disparo del SCR.

Como la resistencia R2=RG actúa como un shunt, permite el paso de corriente IRG: VGK 0.7V

IRG = ---------- = --------------- = 0.7 mA. RG 1K

La corriente total de disparo seria:

IT = IRG + IGT = 200 A + 700A = 900 A.

Para el disparo ocurra inicialmente a los 10º del periodo positivo. Se dice el ángulos de disparo de 10º . Entonces el valor instantáneo de la tensión de entrada seria Vin = 12Vr.ms

Hallar el valor Vp = Vmáx = Vr.m.s X 2 = Vrms X 1.41

Vp = 12Vac X 1.41 = 16.92 V

Vin = Vmáx X Sen . Vin = 16.92V X Sen 10º = 16.92V X 0.17= 2.87V

De acuerdo a los conceptos previos esta tensión de 2.87V será el mínimo valor que va producir la ruptura en sentido directo del SCR. Ahora aplicamos la máxima corriente entre puerta – cátodo y hallamos el valor de la resistencia RT

RT = R1 + RV1 RT = Vin / IGT = 2.87V / 0.9 mA = 3.196 ohmios = 3.2K RV1 = RT – R1 = 3.2K – 1K = 2.2K

Con estos valores de el SCR, se debe activar a los 10º del semiperíodo positivo. Tan pronto esto sucede, entre el ánodo – cátodo cae a menos de 1V y la tensión AC de entrada es transferida a la carga, desde los 10º hasta los 180º durante el primer semiperíodo. Desde los 180º a 360º el SCR, queda polarizado inversamente y no conduce, se comporta como un interruptor abierto. Si deseamos disparar el SCR, a los 90º realmente un poco antes, la corriente de la compuerta IGT, es la mínima requerida a 20 A. Para este instante el valor máxima es de Vmáx = 16.92V

La corriente total es de IT = IRG + IGT4.

IT = 700A + 20A = 720A

Figura 4. Punto de disparo del SCR a un ángulo de 90º

El seno 90º = 1

Vin = Vmáx X Sen Vin = 16.92 V X 1 = 16.92V

Hallar el valor de la posesión del potenciometro RV1 si tenemos que: RT = R1 + RV1

RT = Vin / RT = 16.92V / 0.720 A = 23500 ohm = 23.5K RV1 = RT – R1 = 23,5K – 1K = 22.5K

Ajustando el valor óhmico de R1 + RV1 a 22.5K, hacemos que el SCR, se active a los 90º del primer semiperíodo positivo y hacerlo transfiere la potencia AC, a la bombilla que parece encendida desde los 90º hasta los 180º . De nuevo a los 180º el SCR, se polariza inversamente y la bombilla se apaga.

Angulo de conducción: es el tiempo en grados durante el cual conduce la corriente el dispositivo.

Angulo de disparo: significa controlar la fase del disparo con respecto al voltaje de ánodo, limitando con esto el tiempo de conducción del SCR.

Retardo de fase: es el tiempo que se retrasa el disparo de la compuerta con respecto al voltaje de ánodo cuando ambos reciben energía de la misma fuente AC.

2.5.4 FORMA DE ONDAS DE UN CONTROL DE MEDIA ONDA CON SCR.

La figura 5ª, representa la tensión de la red de entrada de 12 Vac o R.M.S y de un frecuencia de 60Hz, cada semiperíodo cubre un tiempo de 8.3 mS, y el período 16,6 mS.

5.

Figura 5. Formas de ondas de un control de media onda con SCR.

La figura 5b, representa el comportamiento entre el ánodo y cátodo del SCR, cuando se ha movido el cursor RV1, para dispararlo a 30º y con una tensión instantánea de 16.92V x 0.5 = 8.46V.

La figura 5c, mostramos el comportamiento sobre la carga sobre la RL(Bombilla). Se observa que cuando el SCR, se dispara a 30º el Vin = 8.46V, la tensión entre el ánodo y cátodo(VAK), es prácticamente nula y este obra como un interruptor cerrado que transfiere la tensión AC, de entrada a la resistencia de carga RL, de hecho, ésta se enciende a los 30º permanece hasta los 180º .

De hecho, hemos tomado para la explicación como carga una bombilla, pero es necesario entender que la carga o RL, bien podría se un motor de DC, que sequiere regular la velocidad o la resistencia de un horno eléctrico que desea controlar la temperatura.

2.5.4 POTENCIA CONMUTADA POR SCR

Vimos en el tema anterior, que el SCR, podía transferir potencia de la red sobre la resistencia de carga o la RL. Por ser el SCR, un dispositivo unidireccional, la corriente puede fluir en un sola dirección y por lo tanto sobre ella, se esta aplicando corriente directa pulsante. Es decir el SCR, se comporta como un diodo rectificador pero controlado desde la puerta.

6.

Por los conocimiento previos que se tienen sobre los rectificadores, la tensión y la corriente suministradas a la carga, tiene un valor promedio(Av), y la corriente promedio o (IAV).

La tensión promedio o VAV suministrada por el SCR, sobre la carga, se puede calcular así:

VAV = Vmáx / 2(Cos1 - Cos2)

En la figura 6, aparece la forma de onda típica mostrada por el osciloscopio al hacer la medición en el rango DC. Cuando el SCR, es disparado con un ángulo de 10º su ángulo de conducción es de 10º a 180º igual a 170º

Figura 6. Potencia conmutada por el SCR.

Para este caso 1, representa el ángulo de 10º, es de 0.984 Para este caso2, representa el ángulo de 180º , es de 1

Aplicamos la relación

VAV = 16.92V / 6.28(0.984 – ( - 1) = 16.92V/6.28(1.984) = 5.34V

Si usted utiliza una bombilla de carga RL es igual a 10W y 12V, permite a través una corriente de IRMS igual:

IRMS = Potencia/voltios = 10W / 12V = 0.833 A

Para hallar su valor máximo o de pico(Imáx), de la corriente multiplicamos su valor RMS por 2 y se obtiene:

Imáx = IRMS x 2 = 0.833Ax 1.41= 1.17A

7.El valor promedio de la corriente IAV, que pasa por la bombilla tiene un valor de:

IAV = Imáx /2(Cos1 - Cos2) = 1.17A / 6.28(Cos 10º - Cos180º)

= 1.17 A / 6.280.984 – ( - 1)= 0.369 A

Potencia promedio PAV disipada por la bombilla que actúa como carga es de:

PAV = VAV x IAV = 5.34V x 0.369 A = 1.97 W

2.5.5 DISPARANDO EL SCR DE 0o A 180º

Figura 7. Control de media onda con SCR por RC

El anterior montaje, se podía disparar el SCR, con un ángulo de 0º a 90º. Si éste no era disparado antes, después de 90º la tensión de entrada Vin aplicada entre ánodo y cátodo comienza a disminuir, lo mismo que la corriente de puerta IGT y el disparo más posible.

Modificando el circuito de la compuerta, tal como aparece en la figura 7, se puede ampliar el ángulo de disparo para el SRC, que puede hacer ahora de 0º a 180º. El condensador C1, adquiere un nivel de carga Vc, cuyo valor esta determinado por su reactancia a la frecuencia de la red de 60Hz y al valor de las resistencia R1 y RV1.

Cuando el condensador ha alcanzado el nivel de carga deseado, entonces él puede producir el disparo del SCR, inyectando la corriente de puerta IGT, necesaria para ello, por medio de su descarga a través del tramo puerta – cátodo como se observa en la figura 7.Sin embargo, si la constante de tiempo de C1 x R1, es lo suficientemente alta, dicho condensador no se descarga totalmente y al retener parte de su carga debe ser capaz de disparar de 0º a 180º el SCR. Así la tensión de ánodo y cátodo del semiperíodo positivo esté superando el ángulo de 90º 8. Por estar el condensador de disparo conectado a l red de corriente alterna, ofrece un determinado valor de reactancia capacitiva ante la frecuencia de 60Hz. Si

1k

1K

50K 12VAC

Lampara 12V

asumimos para el presente caso una capacidad de 0.2uF veamos el valor de la reactancia:

XC = 1 / (2FC) = 1x 10 / 6.28 x 60 x 0.2 = 13.269

En todo condensador el voltaje esta atrasado con relación a la corriente y está a vez, se encuentra en fase con las resistencias R1 + RV1, que lo cargan. En figura 8, se puede fácilmente deducir cada uno de los voltajes en forma vectorial la tensión del condensador VC y las caídas de voltajes de las resistencias VRL.

Recordemos que:

Sen = VR / VinCos = VC / Vin

VR = I x RT = I(R1 + RV1) = 0.49V

VC= 2.82V Vin = 2.87V

Figura 8. Triángulo de las caídas de voltajes

Si deseamos disparar el SCR, a 10º, entonces es el ángulo , de atraso que existe entre el voltaje del condensador VC y el voltaje de entrada Vin que lo carga.

Como sabemos por los ejercicios anteriores a 10º , el voltaje de entrada Vin tiene un valor de:

Vin = Vmáx .Sen10º = 16.92V x Sen10º = 16.92V x 0.173= 2,87V

Recordemos que:

Sen = VR / Vin

Despejando el valor de VR = Vin x Sen10º = 2.87V x 0.173 = 0.49V

Ahora por Pitágoras, otro proceso conocido por todos los alumnos de primaria despejamos el valor de VC, así:

9. 2 2 2 2 VC = Vin - VR = 2.87 - 0.49 = 2.82V

Otra que se puede utilizar es la del cos

Cos10º = VC / Vin Despejamos VC nos queda:

VC = Vin x Cose 10º = 2.87V x 0.98 = 2.82V

Para hallar el valor de la resistencia RT = R1 + RV1Para este caso, aprovechamos una sencilla regla de tres simple que aprendimos en primaria. Como el período total de la frecuencia de 60Hz es de 1 / 60 Hz es igual a 16,6mS y duración del semiperiodo es de 8.3mS.

Como un semiperíodo abarca 180º. ¿ Cuánto tiempo ha transcurrido para producir el disparo del SCR a un ángulo de 10º?.

LuegoSi 180º 8,3mS 10º X

X = 10º x 8.3 mS/ 180º = 0.46 mS

Es decir, para determinar cuantos mS corresponden a cada uno de los 180º de un semiperíodo, dividimos el tiempo que es los 8.3mS en el total, por el número de grados y luego multiplicamos el valor obtenido en mS por los 10º y se obtiene el valor de 0.46mS

Si aplicamos otro método para hallar el valor de RT = R1 + RV1:

R1 + R2 = / C -3

R1 + RV1 = 0.46 x 10 S / 0.2uF = 2.300También se puede hallar el valor de R1 + RV1, empleando la función Cos y el teorema de Pitágoras de acuerdo con el triángulo de impedancias de la figura 9.

RT = R1 + RV1

2 2 Z = RT + XC XC 2 2 R = Z - XC

Figura 9. Triángulo de impedancias.10.

Cos10º = XC / Z

Z = XC / Cos 10º = 13.269 / 0.984 = 13.473

2 2 2 2RT = Z - XC = 13.473 – 13.269 = 2335

2.5.6 FORMAS DE ONDA DEL CONTROL DE MEDIA ONDA CON SCR

Figura 10. Formas de ondas de un control de media onda con SCR.

En la figura 10, podemos observar las formas de onda:

Voltaje de entrada Vin Voltaje de carga V RL Voltaje entre ánodo – cátodo V AK Voltaje de control V G

Si aparece un diodo en la compuerta del SCR, este impide la descarga del condensador C1, durante el semiciclo positivo, evitando la aplicación de un voltaje negativo a la puerta del SCR.

11.2.5.7 CONTROL DE DOBLE ONDA CON SCR.

Figura 11. Control de doble onda con SCR.

En el circuito de la figura 11, se observa un esquema típico de un control de doble onda con una constante RC, en que la tensión pulsatoria dada por el puente en la tensión a controlar por el SCR, esa misma tensión pulsatoria nos va a servir para provocar el disparo o el cebado del SCR.

2.5.8 FORMA DE ONDA DE UN CONTROL DE DOBLE ONDA CON SCR.

Figura 12. Formas de onda de un control doble onda con SCR.

12.

~BY127~

+_

12VA

1K

50K

Si atendemos al proceso de control tratado anteriormente y teniendo en cuenta que la corriente en la carga es un tensión pulsatoria de doble onda, obtenemos un control efectivo sobre los dos semiciclos. La figura 12, muestra las formas de onda de las tensiones desarrolladas en este circuito.

2.6 DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD NUMERO DOS

A) PREINFORME 1. Leer la guía de trabajo2. Analizar el funcionamiento de cada uno de los circuitos.3. Calcular Vmáx, Vin, RT= R1 + RV1, V AV, IRMS, Imáx, PAV para los siguiente

ángulo de disparo y conducción 50º , 75º y 90º para el circuito de la figura 3, y la figura 7, con los mismos ángulos mas un ángulo de 125º; con un voltaje alterno de 12VAC o RMS.

4. Con los datos anteriores debe de tenerlos presente para la figura 7, para hallar la reactancia capactiva Xc, el valor de RT, Impedancia Z, las caídas de voltajes VC o VG, VRL.

5. Los circuitos deben de traerlos armado en cada una de las secciones del laboratorio que sirve como preinforme.

2.6.1 DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD

I. Circuito de control de media onda con SCR, con divisor de tensión

1. armar el circuito de la figura 3 .

a) Con los datos obtenidos en preinforme vamos a medir y dibujar las formas de ondas del:

b) Voltaje máximo Vmáx = ___________c) Voltaje de carga (VRL), con los siguientes ángulos de conducción:

VRL(50º ) = _______ VRL(75º) = ______ VRL(90º ) = ______ d) Voltaje ánodo-cátodo; (Vin), con los siguientes ángulos de disparo: VAK(50º )

= _______ VAK(75º) = ______ VAK(90º ) = ______ e) La resitencia total RT (50º )=________ RT(75º )= ______ RT(90º )=______f) El voltaje promedio V AV(50º )=____V AV (75º )= ______ V AV (90º )=_____g) Medir Imax = _________ Ah) Medir la I Av(50º ) =______I AV (75º ) = ______ I AV (90º ) =_______

II. Circuito de control de media onda con SCR, con una red RC

1. armar el circuito de la figura 7.

13.

a) Debe de tener presente los datos anteriores y más el ángulos de 125º .b) Medir la resistencia RT(50º ) =_________RT(75º ) = __________

RT(90º )=______RT(120º ) = _________c) Medir las caídas de voltajes VRL(50º ) = __________ VRL(125º )= ________d) Medir los voltajes (Vco), voltaje de gate VG(50º ) = __________ VG(125º )=

________

III. El control de doble onda con SCR y la red RC.

a) Armar el circuito de la figura 11.b) Medir el voltaje de entrada rectificada Vin= _________c) Voltaje de carga (VRL), con los siguientes ángulos de conducción:

VRL(50º ) = _______ VRL(90º) = ______ VRL(125º ) = ______ d) Voltaje ánodo-cátodo; VAK, con los siguientes ángulos de disparo:

VAK(50º ) = _______ VAK(90º) = ______ VAK(120º ) = ______ e) Medir la resistencia RT(50º )=_________ RT(90º )=______ RT(125º ) = ______f) Medir los voltajes (Vc), o voltaje de gate VG(50º ) = __________ VG(90º )=

__________ VG(125º )= ________

B) INFORME1. Deben presentar:

Cálculos y Mediciones realizadas en los circuitos. Hacer una síntesis del funcionamiento de cada uno de los

circuitos analizados. Resolver la evaluación o preguntas. Sacar conclusiones generales.

2.6.2 EVALUACION

1. ¿Qué sucede en la figura 7, si variamos el condensador C1?.2. ¿Qué función realiza el potenciometro RV1 en circuitos anteriores?.3. Si usted le colocara un diodo en la compuerta o gate de la figura 7. ¿Cuál es la

función del diodo?.4. ¿Cuál es la función de la red RC, en el circuito de la figura 7?.5. ¿Cuál de los circuitos de control de media onda y onda doble con SCR, es el

que tiene mejor regulación?.6. ¿Qué le sucede a la corriente de la compuerta (IG), del SCR, cuando esta es

muy pequeña?. ¿ Qué le sucede al SCR?.7. Explicar el funcionamiento de disparo cuando se utiliza un lampara de Neón en

un circuito de control de media onda?.8. ¿Cuál es la diferencia que existe en disparar el SCR, en corriente continua y

alterna?.14.