Disparo Controlado de tiristores mediante

Transistores Unijuntura Programables (PUT)

 

        El transistor unijuntura programable (Programmable Unijunction Transistor, PUT) es un dispositivo compuesto de 4 capas semiconductoras, similar a un SCR. Sin embargo, el disparo del mismo es respecto del ánodo en vez del cátodo. Mediante un divisor de tensión resistivo se establece precisamente la tensión de disparo (tensión de pico, Vp, del PUT). Los PUTs se utilizan casi exclusivamente para control de fase en circuitos de rectificación controlada, y en algunos casos, se los utiliza como osciladores.
 

Operación del PUT:

        El PUT tiene 3 terminales, un ánodo (A), un cátodo (K) y una compuerta (G). El símbolo eléctrico del PUT y su correspondiente circuito equivalente se ven en la figura 1.
 

Figura 1

 

        En la figura puede verse que el PUT es como un SCR disparado por ánodo, esto es, si la compuerta se hace negativa respecto del ánodo, el dispositivo pasará del estado de bloqueo (o de corte) al estado de conducción.

        Una característica interesante que presenta este dispositivo es que tiene una región o zona de trabajo de resistencia negativa. Cuando la tensión entre ánodo y cátodo, Vak, supera a la tensión de pico Vp (la cual es programada mediante el divisor resistivo; R1, R2), el dispositivo entra en conducción, con lo cual cae la tensión Vak y aumenta la corriente. Esto ocurre hasta que se llega a la tensión de valle (Vv), el cual es un punto estable de operación. De esta forma, se obtiene la región de resistencia negativa, delimitada entre los puntos de pico y de valle. Esto puede verse claramente en la figura 2 .

 

Figura 2

 
        La tensión de pico Vp es esencialmente la misma que la tensión de referencia del divisor de tensión, excepto por la caída de tensión en la juntura de la compuerta.

        Una de las aplicaciones típicas de este dispositivo es en un oscilador de relajación, como el de la figura 3. Para analizar más fácilmente como funciona este circuito, es conveniente hablar del equivalente de Thevenin para la fuente de tensión externa y el divisor resistivo, aplicado en la compuerta. Estos parámetros quedan definidos:

y .

 
        Las corrientes de pico, Ip, y de valle, Iv, dependen de la impedancia equivalente en la compuerta, Rg, y de la tensión de alimentación Vs. Por lo tanto, la curva característica del PUT es sensible respecto de variaciones en Rg y Vs.
 

Figura 3

 
        La red RC compuesta por Rt y Ct controla la frecuencia de oscilación junto con R1 y R2. El periodo de oscilación T está dado en forma aproximada por:

 

 
 

 

Control de fase mediante un PUT

 

        Hacer control de fase utilizando tiristores es una de las formas más comunes de controlar flujo de potencia eléctrica en motores, lamparas y hornos. Se aplica una tensión alterna al tiristor (ya sea un SCR, un TRIAC, etc.) y el mismo conduce en los instantes de tiempo (ángulos de fase) determinados por el circuito de control. Controlando el ángulo de fase en el que el tiristor entra en conducción, se controla la potencia media entregada a la carga. Los PUTs permiten una forma simple de obtener pulsos de disparo sincronizados con la tensión de línea con un ángulo de fase controlado.

        Todos los circuitos de control de disparo con PUT están basados en el oscilador de relajación. En la figura 4a se ve un circuito de disparo básico, donde la red RC compuesta por Rt y Ct determina el tiempo entre la aplicación de la tensión al circuito (representada por el cierre de la llave) y la aparición del pulso. Si la tensión Vs aplicada es continua pura, el oscilador esta en el modo "free running", y la red RC determina la frecuencia de oscilación.
 

Figura 4

 

        La operación del circuito puede describirse en función de la forma de onda de la tensión sobre el capacitor Ct. Cuando aparece la tensión Vs, Ct se carga con una constante de tiempo , hasta que su tensión se hace igual a la tensión de pico del PUT (la cual es programada mediante Rb1 y Rb2). En ese instante, el PUT entra en conducción, descargando Ct a través de Rgk. El pico de corriente que aparece sobre Rgk produce un pico de tensión, que es el que dispara al tiristor (en este caso, un SCR). Cuando el capacitor se descarga lo suficiente, el PUT vuelve a entrar en estado de corte y se reinicia el ciclo, cargándose nuevamente Ct a través de Rt. Si Vs es una continua pura, el ciclo se repite inmediatamente, en forma periódica.

        Frecuentemente es necesario sincronizar el temporizado de los pulsos de salida con los puntos de cruce por cero de la tensión de línea. Un circuito básico para lograr la sincronización es el que se ve en la figura 5a.

        Mediante el puente diodos y el diodo zener D1, se obtiene una tensión de control Vs como la de la figura 5b. De esta manera, tanto Vs como la tensión de pico del PUT cruzan por cero cada vez que la tensión de línea cruza por cero. Esto hace que Ct se descargue al final de cada semiciclo, y comience el siguiente semiciclo descargado. Por lo tanto, aun si el PUT no se disparó en un semiciclo, el capacitor inicia el siguiente semiciclo descargado. En consecuencia, los valores de Rt y Ct controlan directamente el ángulo de fase en el cual se produce el pulso en cada semiciclo. El diodo zener provee estabilización de tensión para que el circuito de disparo dé siempre el mismo pulso independientemente de las fluctuaciones normales de la línea.

 

Figura 5

 

Circuito de control de fase con PUT:

        El objetivo de nuestro trabajo era realizar un circuito de disparo para un tiristor en el cual se pudiera controlar el ángulo de fase de disparo mediante una tensión de control externa. En un principio intentamos implementar el circuito de control rampa/pedestal, que se basa en un transistor unijuntura común (UJT), el cual analizamos en la teoría. Debido a los problemas que tuvimos al simular este circuito, decidimos elegir otro tipo de disparo. Elegimos trabajar con los PUT porque nos pareció una opción muy interesante y sencilla de implementar. En el manual de datos de tiristores de Motorola encontramos abundante información acerca de circuitos de disparo basados en PUTs, así que utilizamos como base el circuito de control de fase básico (el que se ve en la figura 5) y lo modificamos para adaptarlo a nuestras especificaciones. El circuito implementado finalmente es el que se ve en la figura 6.

 

Figura 6

 
        En este circuito, la tensión de control (Vcontrol) no esta vinculada directamente a tensión de línea, como ocurría con Vs en el circuito de control básico. En este caso, la tensión de control esta dada por una fuente externa más una resistencia en serie, R4 (la cual esta para aumentar la impedancia de entrada del PUT). De esta forma, los pulsos de salida quedan sincronizados con la tensión de línea, ya que C1 se descarga al final de cada semiciclo y empieza el nuevo semiciclo descargado, pero el ángulo de disparo lo controlamos externamente.

        Los pulsos de corriente que se producen al descargar el capacitor Ct, producen un pulso de tensión sobre R5, que tiene un valor máximo de 5V sin carga aplicada. La tensión de dicho pulso cae notablemente al conectarle una carga, por lo tanto, lo hacemos pasar por un buffer, implementado con un amplificador operacional TL081 (U1) y configurado en el modo no inversor, con una ganancia aproximadamente igual a 6. Con esta ganancia, teóricamente el pulso a la salida del operacional debería ser como de 30V, pero debido a que el pulso es muy rápido y el operacional es incapaz de seguirlo, se obtiene a la salida un pulso de aproximadamente 2V de amplitud. Este valor de tensión es el necesario para polarizar en forma apropiada al diodo D6 y al diodo de entrada del optoacoplador (para el cual los valores típicos de funcionamiento son entre 1V y 1,5V).

        El diodo D6 colocado a la salida del amplificador está para eliminar la parte indeseable del pulso de salida. Ocurre que el capacitor C1 se descarga rápidamente a través de R3, pero no instantáneamente, se descarga con una constante . Por lo tanto, el pulso no es ideal, con forma de delta, sino que tiene una "cola" debido a la caída exponencial. Esta parte indeseable es amplificada por U1, pero como tiene un nivel de tensión inferior a los 0.7V, al colocar un diodo a la salida evitamos que esta señal llegue al optoacoplador, y por ende, al tiristor.

        Finalmente, a continuación del diodo D6 hay un optoacoplador (un 4N27) que sirve para aislar la parte de control, de disparo, de la parte de potencia que controla el tiristor. La salida del optoacoplador esta configurada para reproducir el pulso y disparar al tiristor. Se utiliza un transformador con punto medio en el cual uno de los bobinados se usa para la parte de control y el otro para la parte de potencia. Por lo tanto es importante notar que se tienen dos masas separadas.

        El transistor de salida del optoacoplador está configurado mediante las resistencias R8 y R9 para trabajar en zona activa. Esto es debido a que si trabaja en saturación la corriente no es suficiente para disparar al tiristor que usamos en nuestro circuito (ver hoja de datos del TIC126).

        Originalmente R9 era cero, pero esto forzaba al transistor del optoacoplador a conducir corrientes elevadas, por lo cual colocamos una resistencia que permitiera una corriente suficiente para lograr el disparo sin que Vce sea tan grande. La resistencia R8 está para evitar que el emisor quede flotante cuando el transistor está cortado.

        Otra cosa a tener en cuenta es la resistencia de la carga que va a controlar el tiristor. Los tiristores necesitan una corriente mínima para poder mantenerse en conducción. En un principio utilizábamos una resistencia de carga de 10 KW , pero la misma no permitía circular esta corriente mínima por lo cual el disparo nunca se producía. A efectos de lograr el correcto funcionamiento del circuito en general utilizamos una resistencia de carga de 15 W por 1W.

        El rango de funcionamiento del circuito de control es entre 30º y 145º de fase, para una tensión de control entre 0,8V y 5V respectivamente.