PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA, FACULTAD DE INGENIERIA, UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA

Informe de Laboratorio Experiencia en el manejo de dispositivos semiconductores en electrnica de potencia (Mayo 2011)Edmond Rodrguez Camargo Mnica Vanessa Paternina Camilo Andrs Ramirez Jairo Enrique Aguilar Cisneros Cod.162206240 Cod.162207143 Cod.162206237 Cod.162206203 Presentar el procedimiento y los resultados de la prctica por medio de un informe. III. MARCO TERICO Tiristores Los tiristores son interruptores electrnicos utilizados en circuitos de potencia dode es necesario controlar la Activacin del interruptor. Los tiristores constituyen una familia de dispositivos de tres terminales entre los que se encuentran: el rectificador controlado de silicio (SCR), el triac, el tiristor de bloqueo de puerta (GTO), y el MOSFET. Los tres terminales son el nodo, ctodo y puerta. Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altos voltajes de bloqueo en aplicaciones de alta potencia, pero las frecuencias de conmutacin estn limitadas a valores de entre 10 a 20KHz aproximadamente.1 SCR Para que el SCR entre en conduccin, hay que aplicar una corriente de puerta cuando la tensin anodo-catodo sea positiva. Una vez que el dispositivo haya entrado en conduccin, la seal de puerta deja de ser necesaria para mantener la corriente de anodo. El SCR continuara conduciendo mientras la corriente de anodo siga siendo positiva y este por encima de un valor mnimo, llamado nivel de mantenimiento, en la Figura 1 se observa las caractersticas de corriente-tensin ideal.2

Resumen Se presenta en este documento el informe de la prctica de laboratorio titulada Experiencia en el manejo de dispositivos semiconductores en electrnica de potencia, propuesta para la asignatura Electrnica de Potencia I, en la cual el objetivo es lograr la conmutacin de algunos dispositivos de potencia. I. INTRODUCCIN El tiristor es un componente electrnico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentacin interna para producir una conmutacin. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Algunos son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un nico sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia elctrica. El dispositivo consta de un nodo y un ctodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores tpicos PNP y NPN, por eso se dice tambin que el tiristor funciona con tensin realimentada. Se crean as 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta est conectado a la unin J2 (unin NP). II. OBJETIVOS A. Objetivo general: Disear e implementar circuitos de conmutacin para varios dispositivos de potencia. B. Objetivos especficos: generar un circuito controlador que permita conmutar cada tiristor teniendo en cuenta sus especificaciones obtenidas de su hoja caracterstica. Realizar los clculos pertinentes para evitar daar los tiristores de potencia.

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HART DANIEL, Electrnica de Potencia, Valparaiso, University Valparaiso, Indiana, Pearson Educacion S.A., Madrid 20001.

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HART DANIEL, Electrnica de Potencia, Valparaiso, University Valparaiso, Indiana, Pearson Educacion S.A., Madrid 20001.

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Informe de Laboratorio Experiencia en el manejo de dispositivos semiconductores en electrnica de potencia (Mayo 2011)

Practica 1: A) Bjt Los transistores BJT de potencia se deben conmutar en corriente directa, la carga que se manejar con estos dos dispositivos es una lmpara algena de 12V @ 50W. Se deben disear los circuitos de disparo y proteccin para hacer conmutar la carga a una frecuencia de 1KHz.Figura 1. Caractersticas del SCR corriente-tensin

Transistor BJT Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos de potencia. Los circuitos de excitacin de los transistores se disean para que estn completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores como por ejemplo, un circuito amplificador, el transistor trabaja en la regin lineal. Los transistores tiene la ventaja de que proporcionan un control de activacin y de desactivacin mientras que el SCR solo dispone de control de activacin. Las caractersticas tpicas de los BJT se muestran en la Figura 4 el estado de conduccin para el transistor se consigue proporcionando la suficiente corriente de base para llevar al BJT a saturacin. La tensin de saturacin colector-emisor tpica es de 1 a 2v para un BJT de potencia. Una corriente de base nula hace que el transistor se polarice en corte. Cuando el dispositivo es controlado por corriente de base es necesario tener en cuenta el hEF para poder determinar el estado de saturacin del dispositivo3.

Figura 3. Diagrama de La prtica bjt

CALCULO PARA UN CIRCUITO OSCILANTE (555)

Figura 4. Circuito astable del 555

Mediante un programa de clculo para el 555 que se muestra en la siguiente figura se obtuvieron los valores de resistencia y capacitancia para generar una seal de pulsos a 1KHz.

Figura 5. Circuito astable del 555

A continuacin se implement el circuito del 555 y se obtuvo la grfica de osciloscopio de la siguiente figura.Figura 2. Caractersticas BJT.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL3 MUHAMMAD H. RASHID, Electrnica de Potencia Circuitos, dispositivos y aplicaciones, Segunda edicin, Prentice Hall Hispanoamericana S.A.

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Para conocer R2 se estableci

R2

Vin Vbesat 12 1.8 17 Ib 0.6

y para encontrar el valor de R1 se utilizo la ecuacin

R1 R 2 Figura 6. Seal de salida del circuito 555 en la prctica

Vin Vbesat 1 Ib 10

1) Circuito (BJT con carga en colector) Para el diseo del circuito de disparo de una lmpara halgena con BJT se realizo el anlisis con la siguiente configuracin:

R1

Vin Vbesat 12 1.8 R2 17 153 1 1 Ib 0.6 10 10

Lo anterior teniendo en cuenta que el voltaje de base en saturacin segn el dataste es de 1.8V

Para establecer el capacitor de proteccin de sobrepicos de disparos se tomo como referencia la frecuencia de controlFigura 7. Configuracin para el circuito con la carga en colector

T

1 0.001 s f

Primero se deba conocer la resistencia del bombillo conociendo la potencia y el voltaje de la lmpara se calculaba

Conociendo que un capacitor aproximadamente se carga a 5 constantes de tiempo se tomo

Rl

12 (v) 2.16 55 ( w)

2

T 2 0.0001 5Por lo tanto

Para determinar la corriente de saturacin Ic(sat)se utilizaba siguiente la ecuacin

Icsat

Vcc 12 5.55 A Rl 2.16

C

Se escogi entonces el transistor 2n3055 debido a que soporta la corriente necesaria (hasta 15A). Segn la hoja caracterstica del transistor 2n3055 para garantizar que estuviera en saturacin se requera que la corriente de colector estuviera entre los 4 a 10 A y la corriente de base entre los 400mA a 3.3 A

R1 R2 6.5x106 6.5uF R1* R2

R1* R 2 C R1 R 2

Por lo cual se tomo la corriente de base de 600mA

Manteniendo as la ganancia dentro de los valores establecidos en el. datasheet

Figura 8. Simulacin del circuito BJT con carga en colector

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Ic sat * Ib Icsat 4.6 7.66 Ib 0.6

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Informe de Laboratorio Experiencia en el manejo de dispositivos semiconductores en electrnica de potencia (Mayo 2011) Al realizar el montaje se observ un sobrecalentamiento en el transistor, situacin que fue solucionada ubicando una resistencia de 15 Ohm @ 10W entre la salida del 555 y la base del transistor. Valores encontrados comercialmente: R1= 150ohm a 1W R2= 20ohm a 1/2W C= 4.7uF ceramico 2) Circuito (BJT con carga en emisor) Para el diseo del circuito de disparo de una lmpara halgena con BJT se realizo el anlisis con la siguiente configuracin: Despus de realizar el anlisis matemtico, se realizo la simulacin del circuito

Figura 10. Simulacin del circuito BJT con carga en emisor

Valores encontrados comercialmente Rb= 1ohm a 1W Rc= 1 ohm a 5W

Prctica 2: Conmutacin forzadaFigura 9. Configuracin para el circuito con la carga en emisor

Disee e implemente la etapa de potencia que se muestra en la figura 2A (conmutacin forzada):

A diferencia del anterior circuito se deba tener en claro la siguiente ecuacin, en la cual se mantiene la corriente de 2 A de Ic para garantizar que se trabaje en la curva de saturacin, segn la hoja de especificaciones del transistor 2n3055

Ic

Vcc 12 2A Rl Rc 2 4

Figura 11. Circuito y seal de control para la prctica

Despejando la resistencia de colector tenemos:

En Esta figura se tienen los siguientes elementos: R1=R2: Lmparas incandescentes de 100W @ 120V C: Condensador. Este se debe calcular para garantizar la conmutacin. Se debe disear un circuito de control, con el objetivo de disparar los tiristores SCR1 y SCR2. El circuito de control debe generar la seal de salida mostrada en la figura 2B. El periodo de la seal es T= T1 + T2, donde: 9mS T 18mS. T1 = 6 mS. T2 = Variable de 3 a 12mS. A) Circuito (conmutacin forzada con scr) Para implementar el circuito se necesitaba una fuente de alimentacin Dc, para ello se rectifico la red elctrica de 110Vdc @ 60Hz. Con un puente de diodos a 10 A, a la salida se tena

12 10.4 Rc 0.8 2

Comercialmente se encontr una resistencia de 5W de 0.44ohm De igual forma que el circuito anterior se mantuvo la corriente de base de saturacin de 600mA

Icsat 2 3.33 Ib 0.6Manteniendo as la ganancia dentro de los valores establecidos en el. Dataste Realizando la malla de entrada en la carga tenemos la siguiente ecuacin para encontrar el valor de Rb

Vin Vbesat Re Ic 12 1.8 2.6 * 2 Rb 1.533 Ib 0.6Como Rb resulta negativo, se toma como valor absoluto para la realizacin de la prctica.

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Figura 12. Seal rectificada de la red elctrica

Figura 14. Seal rectificada de la red elctrica con filtro de rizado

Para eliminar el rizado se diseo un filtro con un factor de rizo pequeo adems se ubico una resistencia de potencia de 1K para que no se cayera el voltaje.

Como el voltaje de salida del rectificador es de 170V y los bombillos so de 110V, se colocaron 2 bombillos en serie. Para escoger el dispositivo se necesitaba conocer la corriente que iba a circular. Como los bombillos son de 110V @ 60Hz con una potencia de 60W se tomo:

r

2.4 Rl * C 2.4 C Rl * r

Rl

110 1.83 60

Con un factor de rizo del 1% tenemos

Teniendo en cuenta que la corriente es :

C

2.4 0.0001F 1x10 4 100uF 10000 * 2.4

P I2 *R 60 I 5.72 A 1.83Por lo tanto, se escogi un dispositivo que soportara la corriente que se necesitaba, el C106D1. Sus datos caractersticos se presentan a continuacin.

El circuito rectificador diseado se muestra en la siguiente figura.

Los datos ms necesarios tomados de la hoja caracterstica fueron la corriente de compuerta y el voltaje de compuerta.

Figura 13. Seal rectificada de la red elctrica

Para simular el circuito se implemento un PIC16F88 para generar dos seales de PWM, para observar si se realizaba la

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Informe de Laboratorio Experiencia en el manejo de dispositivos semiconductores en electrnica de potencia (Mayo 2011) conmutacin forzada con la ayuda de un condensador 103 a 250V, para garantizar la conmutacin.delay_ms(3); output_low(pin_B0); output_high(pin_B1); delay_ms(tiempo); }while(true); }

Desarrollando la simulacin en proteus y cargando el archivo .hex se pudo obtener la siguiente grafica.

Figura 15. Simulacin del circuito de conmutacin forzada a baja frecuencia

El cdigo del microcontrolador para la generacin de la seal de control se presenta a continuacin.#include #fuses INTRC_IO,NOWDT,NOPUT,MCLR,BROWNOUT,NOLVP,NOCPD, NOWRT,NODEBUG,NOPROTECT,CCPB0 #use delay (clock=4000000) int TEMP,tiempo; void main( void ) { set_tris_b(0x00); //set_tris_c(0x00); set_tris_a(00000011); setup_adc_ports( ALL_ANALOG ); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); //SETUP_ADC(AN0); SETUP_ADC(ADC_CLOCK_INTERNAL); SET_ADC_CHANNEL(0); do{ TEMP= READ_ADC(); tiempo=TEMP/42.5; output_high(pin_B0); output_low(pin_B1); delay_ms(6); output_low(pin_B0); output_high(pin_B1);Figura 17. Seales del voltaje en los bombillos Figura 16. Seales de disparo de los scr

Antes de montar el circuito se realizo la red snubber de seguridad para el dispositivo utilizando el metodo de la constante de tiempo dv/dt=200 V/uS Rl= 1.83

V. CONCLUSIONES Para escoger un dispositivo de potencia es imperativo tener en claro con que valores de voltajes y de corrientes se va a trabajar. Al implementar los circuitos de conmutacin para el BJT es necesario realizar los clculos y ubicar las

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA, FACULTAD DE INGENIERIA, UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA resistencias para la base y el emisor, o el colector, para evitar el dao del transistor por sobrecalentamiento. Para lograr la conmutacin de los SCR es imprescindible tener en cuenta los datos caractersticos del dispositivo, principalmente el voltaje de conmutacin de puerta necesario. Al trabajar con un voltaje tan alto como el de la red elctrica rectificado es necesario aislar el circuito de control con optoacopladores. REFERENCIAS [1] Muhammad Rashid, Electrnica de Potencia, Dispositivos y Aplicaciones, Segunda Edicin. [2] HART DANIEL, Electrnica de Potencia, Valparaiso, University Valparaiso, Indiana, Pearson Educacion S.A., Madrid 20001 [3] Lilen Henri Tiristores y Triacs 1998 Alfaomega Colombia pag 267 [4] Hart, W Daniel Electrnica de potencia 2001 Prentice hall Espaa pag 451

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