Scr 3g2v1u

Práctica No. 6

Aplicación del acoplador óptico a SCR OBJETIVO El alumno investigara, analizara, diseñara y construirá un circuito de aplicación con un acoplador óptico a SCR. MARCO TEÓRICO El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio) es un dispositivo electrónico de tres terminales (ánodo, cátodo y compuerta) que forma parte de la familia de los tiristores. Los SCR´s se utilizan de forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Las aplicaciones más comunes de este dispositivo son en controles de relevadores, cargadores de baterías, inversores y circuitos de protección y control.

Símbolo y construcción de un SCR

Funcionamiento del SCR. Como se aprecia en la figura anterior, el SCR está construido con 4 capas de material semiconductor. El ánodo del dispositivo está separado del cátodo a través de una estructura pnpn y la terminal de compuerta está conectada a una capa de material tipo p, esta última terminal cumple propósitos de control como se verá más adelante. El SCR tiene dos estados de funcionamiento, el estado activado (o estado de conducción) y el estado desactivado (o condición de bloqueo) Entender el funcionamiento del SCR se facilita si su estructura interna pnpn se ve como una configuración de dos transistores conectados en modo complementario, tal como se muestra en la siguiente figura.

Circuito equivalente del SCR

Cuando la corriente en la compuerta, , es cero, no hay corriente base en y ambos transistores permanecen en corte. En este estado, la resistencia entre el ánodo y el cátodo es tan grande que puede ser aproximada como un interruptor abierto. Cuando se aplica un pulso positivo de corriente a la compuerta, ambos transistores se encienden (pero la condición es que el ánodo debe ser más positivo que el cátodo). La corriente actúa como para y lo enciende. Así, se crea una trayectoria para la corriente de base que ahora pasa a través del colector de . Al ser un transistor pnp, el flujo de corriente de base lo enciende y entonces circula una corriente de colector a través de él, dicha corriente es la (corriente de ánodo) en un SCR. Ahora que está encendido, su corriente de colector proporciona una corriente adicional a la base de , de tal forma que se mantiene en conducción a pesar de que el pulso de disparo haya desaparecido de la compuerta. Por esta acción regenerativa se mantiene la conducción en saturación de al proporcionar una trayectoria para ; a su vez mantiene la conducción en saturación de al proporcionar . En esta condición la resistencia entre ánodo y cátodo es tan baja que el SCR se aproxima a un interruptor cerrado. Las siguientes figuras ilustran el comportamiento antes descrito del SCR.

SCR bloqueado con

SCR disparado

SCR en estado de conducción con

Características el SCR. Para usar un SCR en diseños de aplicaciones prácticas, es necesario conocer las características principales de los dispositivos reales, algunas de estas

características son proporcionadas por el fabricante en la hoja de datos del dispositivo. A continuación se enlistan algunas de ellas: 

Corriente de estado inactivo

: se trata de una corriente de fuga que circula de

ánodo a cátodo, mientras el dispositivo se encuentra polarizado en directa, pero sin ser disparado. 

Voltaje de ruptura directa

: el SCR puede ser activado sin disparar la

compuerta, si entre su ánodo y su cátodo se aplica un voltaje

suficientemente

alto. La magnitud de ese voltaje de denomina voltaje de ruptura directa y al fenómeno antes descrito se le denomina ruptura por avalancha. En la práctica, el voltaje directo se mantiene por debajo de

y el SCR se activa por la aplicación

de un voltaje positivo entre la compuerta y al cátodo. 

Corriente de enganche

: es la mínima corriente requerida para mantener el SCR

en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de compuerta. 

Corriente de mantenimiento

: una vez que el SCR ha sido disparado, se

comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. Sin embargo, para que se mantenga en conducción, es necesario que la corriente de ánodo se mantenga por encima de un nivel conocido como corriente de mantenimiento. Esta corriente es del orden de los miliamperios y siempre es menos que la corriente de enganche. 

Velocidad de elevación de voltaje ánodo cátodo

⁄

: es la velocidad máxima

a la que puede ocurrir un cambio de voltaje entre el ánodo y el cátodo del dispositivo. Si esta velocidad supera la especificada por el fabricante, el SCR se activara sin necesidad de disparar la entrada. 

Tiempo de activación

: es el tiempo de retraso entre la aplicación de la señal en

la compuerta y la conducción del SCR. Se define como el intervalo tiempo entre el 10% de la corriente de compuerta de régimen permanente (0.1 ) y el 90% de la corriente activa del SCR en régimen permanente (0.9 ). 

Tiempo de retraso

: se define como el intervalo de tiempo entre el 10% de la

corriente de compuerta (0.1 ) y el 10% de la corriente activa del SCR (0.1 ). 

Tiempo de elevación

: es el tiempo requerido para que la corriente de ánodo se

eleve del 10% del estado activo (0.1 ) al 90% de la corriente estado activo (0.9 ).

Respuesta transitoria de un SCR



Tiempo de desactivación : es el instante de tiempo entre que la corriente de activación se ha reducido a cero y el instante en que el SCR es capaz de soportar un voltaje directo sin activarse.

Activación del SCR. En general, la activación de un SCR se produce incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas: 1. Luz. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un SCR, aumentaran los pares electrón-hueco pudiéndose activar el dispositivo. Este es el mecanismo de activación que utiliza el foto SCR. 2. Alto voltaje. Si el voltaje directo de ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo , fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. 3. Velocidad elevación de voltaje ánodo cátodo alta. Un cambio drástico del voltaje entre el ánodo y el cátodo del dispositivo provoca su disparo. Generalmente se provee al SCR de circuitos de protección contra este tipo de disparo. 4. Corriente de compuerta. Si el SCR está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo ente compuerta y cátodo activara el dispositivo. Se deben tomar las siguientes precauciones al diseñar un circuito de control por compuerta:  



La señal de compuerta debe eliminarse después de activarse el SCR. Mientras el SCR se polarice en inversa la señal de compuerta no debe estar presente. De otra forma el dispositivo puede fallar debido a una corriente fuga incrementada. El ancho de pulso de la compuerta debe ser mayor que el tiempo requerido para que la corriente del ánodo se eleve al valor de corriente de mantenimiento . En la práctica, el ancho del pulso por lo general se diseña mayor que el tiempo de activación del SCR.

Circuitos de disparo del SCR. En los circuitos que usan SCR´s, o cualquier tipo de tiristor, aparecen diferentes potenciales entre sus terminales. El circuito de potencia está sujeto a voltajes superiores a 100V y el de compuerta se mantiene a un bajo voltaje, típicamente de 12V a 30V. Se requiere un circuito aislante entre el SCR y su circuito generador de impulso de compuerta. El aislamiento se puede llevar a cabo mediante transformadores de pulso, o mediante acopladores ópticos. Un acoplador óptico podría ser un fototransistor o un foto SCR, tal como se muestra en la siguiente figura.

SCR disparado por foto SCR

El circuito mostrado en la figura anterior funciona de la siguiente manera: primero un pequeño pulso a la entrad del LED, D1, activa el foto SCR T1, la corriente de ánodo de este SCR dispara el SCR de potencia TL. Sin embargo, este tipo de aislamiento requiere una fuente de energía VCC, y aumenta el costo y el peso del circuito de disparo. Desactivación del SCR. Un SCR que está en estado activo se puede desactivar reduciendo la corriente directa a un nivel por debajo de la corriente de mantenimiento . Existen varias técnicas para desactivar el SCR y en todas ellas, la corriente ánodo se mantiene por debajo de la corriente de mantenimiento durante un tiempo suficientemente largo, de tal manera que todos los portadores en exceso en las cuatro capaz sean barridos o recombinados. Todas las técnicas de conmutación del SCR se pueden clasificar en dos grupos en función del mecanismo que emplean: 

Conmutación natural: si el voltaje de alimentación del SCR es de CA, la corriente del dispositivo pasara cada medio ciclo por un cero natural, y a través del SCR se presentara un voltaje inverso. El dispositivo queda entonces desactivado en forma automática debido al comportamiento natural del voltaje de alimentación. Esto se conoce como conmutación natural o conmutación de línea. En la siguiente figura se muestra la disposición de circuito correspondiente a la conmutación natural.

Circuito de conmutación forzada



Conmutación forzada: en algunos circuitos con SCR, el voltaje de alimentación es de CD, para desactivar el dispositivo la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito adicional conocido como circuito de conmutación. Esta técnica se conoce como conmutación forzada y por lo común se aplica en los convertidores de CD a CD y en convertidores de CD a CA. En la siguiente figura se presenta un circuito sencillo que implementa la técnica de conmutación forzada saturando el transistor cada vez que se desea apagar el SCR.

Técnica de conmutación forzada

SCR fotoactivo (LASCR). El LASCR (Light Active Sillicon Controlled Rectifier) Se trata de un tipo especial de SCR cuyo estado de activación se controla mediante un haz de luz que incide sobre una capa semiconductora del dispositivo. La construcción básica de este tipo de dispositivos se ilustra en la siguiente figura. Como se indica en esta misma figura, también se proporciona una terminal de compuerta para permitir el disparo del dispositivo mediante métodos tradicionales del SCR o para aumentar o disminuir la sensibilidad de de la compuerta.

Construcción de un LASCR

Algunas aéreas de aplicación par el LASCR incluyen controles ópticos de luz, relevadores, controles de fase, controles de motores y una variedad de aplicaciones de cómputo. En esta práctica se hará uso de un LASCR encapsulado como optoacoplador. DISEÑO Escoger un optoacolplador y un SCR, y tomado en cuenta las características proporcionadas por los fabricantes de los dispositivos, diseñar un circuito de disparo para SCR basado en el siguiente diagrama.

Circuito de disparo por optoacoplador a SCR

Para esta práctica se decidió utilizar un optoacoplador 4N39, fabricado por Motorola, y un SCR C106, fabricado por Motorola también. Cálculo de R1, R2 y R3 De la hoja de datos del 3N39, se obtiene que el diodo emisor consume una corriente directa máxima de 60mA y un voltaje directo de 1.5V para funcionar. Si se estima que el voltaje de control será de 12V, y , para operar en una zona segura, el cálculo de R1 se realiza de la siguiente manera:

De la misma hoja de datos se obtiene que el SCR interno del opto acoplador necesita una corriente de mantenimiento de 1mA. Con este dato se puede calcular R3 fácilmente. Para asegurar que el SCR se mantenga, disparado, en esta aplicación será igual a 5mA. Entonces R3 se calcula así:

Ahora se averigua, de la hoja de datos del SCR C106, el valor de la corriente de compuerta necesaria para disparar el dispositivo. Se obtuvo un dato de 30µA mínimos, y 200µA máximos. Si se considera que, estando disparado, el SCR es equivalente a un corto circuito, en las terminales de R3 aparecerá VCC cada vez que el dispositivo esta activo. Asumiendo que y estableciendo una corriente de compuerta de 100µA, R2 se calcula así:

Para desactivar el SCR, se usa la técnica de conmutación natural. Dado que el pulso principal de disparo se produce de manera manual, el tiempo de activación no es un parámetro critico para esta aplicación. El diagrama del circuito a implementar es el siguiente:

PREREPORTE Ninguno de los simulares de que se dispone incluye librerías para el 2N39 ni para el C106, así que la simulación se realiza modificando los parámetros de dos SCR genéricos, incluidos en el simulador PROTEUS. Los parámetros que se modifican en cada uno son la

corriente de disparo y la corriente de mantenimiento, se cambian a los valores indicados por el fabricante. Las capturas de las simulaciones se presentan a continuación:

Equivalente del circuito de disparo con opto SCR

Corrientes y voltajes en el instante que el opto SCR se dispara

SCR C106 disparado

Como el alternador de que dispone el simulador provoca problemas con los tiempos de simulación se sustituyo, con fines ilustrativos, por una batería de 120V. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR       

Protoboard Fuente de CD Resistencias de 100k Ω, 2.2k Ω y 330Ω SCR C106 Optoacoplador 3N39 Tablilla fenólica de 5m x 10cm 1 par de clemas de dos terminales

        

1 clema de dos terminales 1 zócalo de 8 pines 1 mini soquet para 120V Brocas Papel cauche Plancha Cloruro férrico Cautín Soldadura

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1. Armar el circuito diseñado en el protoboard y probar su funcionamiento.

2. Diseñar una tarjeta de circuito impreso para el diseño anterior.

Diseño del prototipo en Livewire

Cara de pistas diseñada con PCB Wizar

Vista del prototipo en 3D

3. Grabar la palca y soldar los componentes en ella de acuerdo con el esquema propuesto. 4. Comprobar el funcionamiento del diseño. BIBLIOGRAFÍA 

Rashid, Muhammad H., Electrónica de Potencia Circuitos, dispositivos y aplicaciones, Prentice Hall, Segunda Edición.  Boylestad, Robert y Louis Nasheky, Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos.  Hoja de datos del optoacoplador 4N40, disponible en: http://www.classiccmp.org/rtellason/chipdata/4n39.pdf  Hoja de datos del SCR C106D, disponible en: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/motorola/C106.pdf SOFTWARE   

Proteus 8.0 Livewirwe 1.11 PCB Wizard 3.5