UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

ESPEC. INGENIERÍA MECATRÓNICA

Curso de Electrónica de Potencia

Guía de Laboratorio

Profesor: Ing. César Arturo Niño Carmona. MsC

Alumno: Aguilar Sernaque John Henry Franklin

Tema: Comportamiento de un SCR

Piura 22 de setiembre del 2015

1. Resumen

El tiristor básico es un dispositivo de 4 capas con dos terminales: ánodo y cátodo. Está construido con cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. El dispositivo actúa como un interruptor y permanece apagado hasta que el voltaje en directa alcanza cierto valor; luego se enciende y conduce. La conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor específico.

Un SCR es un dispositivo pnpn de 4 capas pero con tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. La estructura básica de un SCR se muestra en la figura 1.a y el símbolo esquemático, en la figura 1.b

Fig.1

En la simulación de una aplicación con SCR veremos como este afecta el comportamiento de un sistema de emergencia de alumbrado y como este impide un corto entre las fuentes de ca y cc como se verá mas más adelante.

2. Procedimiento y Análisis de Resutados

2.1. Objetivos:

Comprender la estructura interna de un SCR. Entender el funcionamiento del SCR. Ver su aplicación en un circuito.

2.2. Marco Teórico:

Construcción e identificación de las terminales del SCR

La construcción básica de cuatro capas de un SCR se muestra en la figura 2.a. La construcción completa de un SCR de alta corriente, libre de fatiga térmica, se muestra en la figura 2.b. Observe la posición de las terminales de la compuerta, el cátodo y el ánodo. El pedestal actúa como disipador de calor ya que transfiere el calor desarrollado al chasis

en el cual está montado el SCR. La construcción de la cápsula e identificación de las terminales de los SCR varía con la aplicación.

Fig. 2 (a) SCR tipo pastilla de aleación difundida; (b) construcción de un SCR libre de fatiga térmica.

Características y valores nominales del SCR

Las características de un SCR se dan en la figura 3 para varios valores de la corriente en la compuerta. Las corrientes y voltajes de interés usual se indican en la característica. A continuación se describe brevemente cada uno.

Fig. 3

3. Cuestionario

3.1. Funcionamiento de la aplicación:

Fig. 4 Simulación.

La función de esta aplicación hace que el foco se mantenga encendido sin interrupciones por corto de corriente alterna, alimentándose por una batería de corriente en continua con ayuda de un SCR.

Fig. 5 Inicio de la simulación.

Cuando activo la simulación, el foco enciende alimentándose de la fuente principal que es la corriente alterna de manera que siempre se mantenga un voltaje positivo debido a la configuración que tiene el transformador con ayuda de los diodos D1 y D2 mostrados en la simulación de la Fig.5

Fig. 6 Comportamiento del voltaje catodo del SCR en ca.

El dispositivo SCR impide el paso de corriente de la fuente secundaria de corriente continua debido a que el voltaje del anodo es menor que el voltaje que tiene el catodo teniendo un voltaje inverso en el SCR impidiendo el paso de corriente.

Fig.7 Foco alimentado por fuente cd.

Si se desconecta la fuente de corriente alterna esta deja de alimentar al foco siendo la fuente de corriente continua quien alimente ahora el foco.

Fig. 8 Comportamiento del voltaje catodo del SCR en cd.

3.2. Modificaciones en los dispositivos: Teniendo una fuente continua de 6V esta puede cambiarse por una fuente de 12V,

modificando también la resistencia del divisor de voltaje R3 de 150 ohm a 1k ohm, haciendo que la luminosidad en el foco se mantenga a la misma intensidad no como ocurre en la Fig. 7.

Fig. 9 Modificación de fuente cd.

3.3. Ventajas y Desventajas: Ventajas:

o Mantiene la iluminación a pesar de un posible fallo en la fuente principal de

corriente ca. Desventajas:

o El transformador puede resultar un poco costoso.

3.4. Otras aplicaciones del SCR: Controlador de temperatura:

En la figura 10 aparece un diagrama esquemático de un control de calefactor de 100 W que utiliza un SCR. Está diseñado para que el calefactor de 100 W se encienda y apague por medio de termostatos. Los termostatos de mercurio en cápsula de vidrio son muy sensibles a los cambios de temperatura. En realidad, pueden detectar cambios hasta de 0.1°C. Sin embargo, su aplicación es limitada, ya que sólo pueden manejar niveles de corriente muy bajos: inferiores a 1 m A. En esta aplicación, el SCR sirve como amplificador de corriente en un elemento de conmutación de carga.

No es un amplificador en el sentido de que amplifique el nivel de corriente del termostato. En cambio, es un dispositivo cuyo más alto nivel de corriente es controlado por el comportamiento del termostato.

Debe quedar claro que la red en configuración de puente está conectada a la fuente de ca por medio del calentador de 100 W. Esto producirá un voltaje rectificado de onda completa a través del SCR. Cuando el termostato se abre, el voltaje a través del capacitor se cargará a un potencial de encendido de compuerta mediante cada pulso de la señal rectificada. El producto RC determina la constante de tiempo de carga y disparará el SCR durante cada semiciclo de la señal de entrada, lo que permite un flujo de carga (corriente) hacia el calentador. A medida que se eleva la temperatura, el termostato conductor pondrá en cortocircuito el capacitor y así se elimina la posibilidad de que el capacitor se cargue al potencial de encendido y active el SCR. El resistor de 510 k ohm mantendrá entonces la corriente a un nivel muy bajo (menos de 250 u A) a través el termostato.

Fig. 10

Regulador de carga de baterías

Como se indica en la figura 11, D1 y D2 establecen una señal rectificada de onda completa a través del SCR1 y la batería de 12 V que se va a cargar. A voltajes bajos de la batería, el SCR2 está “apagado” por razones que se explicarán en breve. Con el SCR2 abierto, el SCR1 que controla el circuito es exactamente el mismo que el control de interruptor estático en serie analizado al principio de esta sección. Cuando la entrada rectificada de onda completa es lo bastante grande para producir la corriente de encendido requerida en la compuerta (controlada por R1), el SCR1 se encenderá y la batería comenzará a cargarse. Al inicio de la carga, el bajo voltaje de la batería dará por resultado un bajo voltaje VR determinado por el sencillo circuito de divisor de voltaje. A su vez, el voltaje VR es demasiado pequeño para provocar conducción en el Zener de 11.0 V. En el estado “apagado” el Zener es efectivamente un circuito abierto, y mantiene el SCR2 en el estado “apagado” puesto que la corriente de compuerta es cero. Se incluye el capacitor C1 para impedir que cualquier voltaje transitorio en el circuito encienda accidentalmente el SCR2. Recuerde por sus conocimientos fundamentales de análisis de circuitos que el voltaje no puede cambiar instantáneamente a través de un capacitor. De esta manera, el C1 evita que los efectos transitorios afecten al SCR.

A medida que continúa la carga, el voltaje de la batería se eleva a un punto en el que VR es suficientemente alto para encender tanto el Zener de 11.0 V como el SCR2. Una vez que el SCR2 se enciende, la representación de cortocircuito de éste dará por resultado un circuito divisor de voltaje determinado por R1y R2 que mantendrán V2 a un nivel demasiado pequeño para encender el SCR1. Cuando esto ocurre, la batería está totalmente cargada y el estado de circuito abierto del SCR1 interrumpirá la corriente de carga. Por tanto el regulador recarga la batería siempre que el voltaje se reduce e impide que se sobrecargue cuando está totalmente cargada.

Fig. 11 Control de fase de resistencia variable

En la figura 12 se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción de entre 90° y 180°C. La combinación de los resistores R y R1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1se establece a su valor máximo, es posible que la corriente de compuerta nunca alcance una magnitud de encendido. A medida que R1 se reduce a partir de su valor máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de entrada. De esta forma, se puede establecer la corriente de compuerta de encendido requerida en cualquier punto entre 0° y 90°, como se muestra en la figura 9.b.

Si el valor de R1 es bajo, el SCR se encenderá casi de inmediato. Sin embargo, como se indicó antes, si R1 se incrementa, se requerirá un mayor voltaje de entrada (positivo) para encender el SCR. Como se muestra en la figura 9.b, el control no se puede ampliar más allá del desfasamiento de 90° puesto que la entrada alcanza su valor máximo en este punto. Si no se enciende con éste y con valores menores de voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta en la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. La operación en este caso normalmente se conoce en términos técnicos como control de fase de resistencia variable de media onda. Es un método efectivo de controlar la corriente rms y por consiguiente la potencia suministradas a la carga.

Fig. 12

4. Conclusiones

Se entendió la estructura interno de un SCR. Se estudió el funcionamiento de un SCR en una aplicación. Se observó cómo trabaja un SCR en cd y en ca.

5. Bibliografía

[1] “Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos”. Décima Edición. Autor: Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky.

[2] “Dispositivos Electrónicos”. Octava Edición. Autor: Thomas L. Floyd.