( EXPERTMENT.49 \ CONTROLADODE SILICIO(SCR) RECTTFTCADOR INFORMACION BASICA El rectificador controlado de silicio es un rectificador de estado s6lido NPNP de cuatro capascon tres electrodos:un 6nodo, un cdtodo y una compBerta,que sirven como elemento de control. El SCR difiere del rectificador de diodo de dos elementosen que 6ste no pasauna corriente apreciable, aun cuandoestdpolarizado en directa hastaque el voltaje del 6nodo seaigual o exceda el valor denominado voltaje de transici6n conductiva en directa, V6pp.Cuando se alcanza el Vpxp,el SCR se enciende, esto es, se hace altamente conductivo. El valor de Vs^pse puede controlar mediante el nivel de corrientede la compuerta.La compuerta,entonces,proporcionauna nueva dimensi6nen la operaci6ndel rectificadoren la que los nivelesbajosde corriente de la compuerta controlan los niveles altos de la corriente de 6nodo o de carga. Hoy dia se fabrican SCR de varias capacidades.Los SCR de baja corriente puedenproporcionar corrientes de 6nodo menores a I A. Los rectificadores controlados de silicio de alta corriente permiten el paso de corrientes de dnodo o de carga de cientos de ampers.Los SCR de alta corriente se asemejan a los rectificadores de silicio con montaje de tornillo con una terminal afradida(figura 49-1). El simbolo de circuito para un SCR y su representaci6n de cuatro capasse muestran en la figura 49-2. 3 4 0 E x P E R T M E N T o4 e A LA ENTRADA VERTICAI DEL OSCTLOSCOP|o |oTA TooAsLrs o$,tE|storEsesliil Er putcAAAs Figura 494. Fuentede ca que excitaun SCRy carga,compuerta abierta. Figura 4$1. SGR con montaje de tornillo, GE tipo C20. Caracteristicavoltaje-corriente............... CATODO N P COMPUERTA N P Ar.rooo (a) (b) Figura 49-2. a) simbolo de circuito del SCFi; b) representaci6nde cuatro capas. @RAENTE 0EALTA coNDucctdN @BRIENTE DE MNTENIMIENTO CORRIENT€ DEAVAI,.ANCHA EN INVERSA r R \ t vottEtEptco EN INVER'IA \ VO(TA,EDE TRATSGION CONOUCTIVA ENDIfiECIA Figura 493. Caracteristicavoltaje-corrientede un SCR cuya compuerta est6 abierta. La figura 49-3 es la caracteristica voltaje-corriente de un SCR cuya compuerta no est6conectada(abierta).Cuandoel circuito 6nodo-c6todo estd polarizado en inversa, hay una ligera corriente de fuga en inversa denominadacorriente de bloqueo en inversa. Esta corriente permanecepequeffahasta que el voltaje pico en inversa, Vxsy, SEexcede. En ese punto comienza la regi6n de avalanchaen inversa, y la corriente de fuga se incrementa en forma muy pronunciada. Cuando el SCR est6 polarizado en directa hay una corriente de fuga en directa pequefla,denominadacorriente de bloqueo en directa, la cual permanecepequeflahastaque se alcanzael voltaje de transici6nconductiva.Estaes la regi6n de avalanchaen directa. En este punto la corriente salta con rapidez al nivel de alta conducci6n. Aqui la resistencia6nodo-c6todo del SCR se hace muy pequeffa,y el SCR actria como un interruptor cerrado. En estaregi6n de alta conducci6n en directa el voltaje a travds del SCR cae a un valor muy bajo, y pese a todos los intentos y prop6sitos la fuente de voltaje aparececasi completa a trav6s de la carga, la cual estd en serie con el rectificador (figura 49-4). Esta es la resistenciade la carga externaque, entonces,debe limitar la corriente a trav6s del SCR y mantenerlo dentro de los valores nominales del SCR. Los dos estadosde operaci6n del rectificador controlado de silicio correspondena los dos estadosde un interruptor encendido-apagado.Cuando el voltaje aplicado estii por debajodel punto de transici6nconductiva,el interruptoreste APAGADO. Cuando el voltaje se incrementaa un valor igual o mayor al del voltaje de transici6nconductiva,el rectificador se ENCIENDE. El rectificador permanece ENCENDIDO, esto es, en su estado de alta corriente, mientras la corriente este por arriba de un cierto valor denominado corriente de "mantenimiento". Cuando el voltaje a trav6s del rectificadorcae a un valor muy bajo parasostenerla corriente de mantenimiento,el rectificadorse apaga. R E C T I F I C A D O R C O N T R O L A D O DE stLICIo (scR) 341 Valoresnominalesdel SCR """ lo =o Para asegurarla operaci6nsin problemas,no se debenexceder los valoresnominalesmdximos del fabricante.El dafro permanenteal rectificador puederesultarsi se intentala operaci6nm6s all6 de estosvaloresnominales.Los valores nominalesdel SCR incluyen PFV i vtnn t I vaa^ I t ,, ttetu i Figura 49-5. Efecto de la corriente de compuerta sobre e! nivel de voltaie de transici6n conductiva en directa. Ir I Fo-^ Vnou Pcu Pcr-^ Controlde compuertadel voltaiede transici6nconductivaen directa """""" Vcnu Tol^o, IF Cuando la uni6n compuerta-c6todo est6 polarizada en directa, el rectificador se enciende a un nivel de voltaje de dnodo inferior al que se tiene con la compuerta abierta' Esto es, el valor del voltaje de transici6nconductivaen directa se reducecon polarizaci6nen directa.Esto es evidentea en la figura 49-5' El volpartir de las curvascaracteristicas taje de transici6nconductivaen directa mdximo, Y63pq,S€ presentacuando la compuerta estd abierta; esto es, cuando ia corriente de compuerta /co = 0. Cuando hay corriente de compuertaen el nivel de 16,, el voltaje de transici6nconauctiva en directa, Vs4p1,es inferior a V anm.De manera sique estddeterminadopor lor,la cual es mayor milar, V6p62, a /61, es inferior t Venn, Y Vaan es inferior a Vsnm' A medida que la coniente de compuerta se incrernenta, et SCRempiezaa actuar como rectificador de silicio ordi' nario. Despu6s de que el SCR se enciende mediante la corriente de compuerta,la compuertapierde control, y al reducir la corriente de compuerta no tiene efecto sobre la corriente de iinodo. El SCR permaneceencendidohastaque el voltaje de directadel Snodose remueveo el nivel de voltaje de directa de 6nodo estd por abajo del que se requiere para sostenerla corriente de mantenimiento'Cuandola fuente del 6nodo es corriente alterna,el rectificador se apaga duranteel semiciclo negativo,cuando el 6nodo-c6todoest6 polarizadoen inversa. Debido a que 6stosse controlanmediantela polarizaci6n de la compuertaen directa, los rectificadorescontrolados de silicio operanpor abajo del punto m6ximo de transici6n conductiva en directa. El circuito de compuerta se especifica por su disipaci6n y las capacidadesdel voltaje de compuerta en potencia de y inversa. en directa voltaje pico repetitivo en directa con la compuerta abierta valor rms de la corriente en directa para el estadode ENCENDIDO valor rms promedio de la corrienteen directa para el estado de ENCENDIDO voltaje pico en inversacon la compuerta abierta disipaci6nde potenciapico en la compuerta disipaci6nde potenciapromedio en la compuerta voltaje pico inverso en la compuerta temperaturade almacenamiento temperaturade operaci6n en la uni6n SCR usado como rectificador""""' Los rectificadorescontroladosde silicio son muy ritiles en circuitos de ca donde 6stospuedenservir como rectificadores cuya corrientede salida se puedecontrolar medianteel control de la corriente de compuerta. Un ejemplo de estetipo de aplicaci6n es el uso de SCR para operar y controlar motores de cd o cualquier carga de cd a partir de una fuente de ca. En relaci6n con la figura 49-4, en estecircuito el SCR est6conectadocomo rectificadorde media onda que suministra corrientea R.. La compuertaestdabierta.El SCR se enciendecuandose alcanzael voltaje de transici6nconductiva en directa, en el punto Vr6e sobreel semiciclo positivo de la onda senoidalaplicada.Duranteel intervalode Vt^ohasta Vy el SCR conduce.Cuando el voltaje del iinodo cae hasta Vx, el cual estepor debajo del potencial de corrientede mantenimiento,el SCR se apaga.Este permaneceapagadoduranteel semiciclonegativo.La corrientefluye a trav6sde la cargaduranteel intervalo de V6pshasta Vx. El voltaje aplicado, el voltaje de 6nodo a cdtodo, el voltaje de cargay las formas de onda de corriente que se observan en el circuito se muestranen la figura 49-6. En la figura 49-7 el voltaje Vspu, en el cual el SCR se enciende, est6 controlado por la corriente de compuerta' la cual, a su vez, estd determinada por el valor fijado de V66, la corriente de la fuente de la compuerta, y Rs.El Vr^ot es m6s pequefroque el V6ae.Por lo tanto, el periodo duranteel cual la carga toma corriente, Vpnehasta yx, se incrementa, 3 4 2 E X P E R T M E N T o4 e VOLTAJE DE CARGA Figura 47-8. SCR controlado por la corriente de compuerta en ca. VOLTAIE OECARGA Y CORFIENTE OECAFGAO Figura 49{. Formasde onda en el circuitddel SCR. y se entregamiis corriente del rectificador a la carga. El periodo de conducci6nse puedeincrementarmedianteel aumento de la corrientede la compuertamds all6 del nivel del ejemplo anterior. Observeque la corrientede compuertapuedeser y es relativamentebaja comparadacon la corrientede dnodo.En el circuito de la figura 49-7 se usa un miliamperimetro,Mr, para medir la corrientede control de la compuerta.La coqrientede carga promedio a trav6s de R. puede ser de varios ampers,segfinla amplitud del voltaje aplicado y la magnitud de la R.. No obstante,la corrientedel 6nodo promedio no deberiiexcederla corrientedel iinodo promedionominal del rectificador. El control de la corrientedel Snodomediantela corriente de compuertaen cd se ilustra en la figura 49-7.F,Lcircuito de la figura 49-8 describeel control medianteca, el cual se emplea con mds frecuenciaque el control mediantecd. En estecircuito el voltaje de 6nodo a c6todo para el SCR lo suministra el secundario de alto voltaje del transformador, 7- La corriente de compuerta la entrega el devanadosecundario de bajo voltaje. El re6stato, R2, se usa para ajustar el nivel de la corriente de compuerta, por lo tanto, el periodo de conducci6n del SCR. Si la resistenciade carga,Rr, se reemptazapor un foco o un banco de bombillas,el circuito de la figura 49-8 podria servir como reductorde intensidad de luz (dimmer). Nore: para una carga grande se deberdemplear un rectificador de onda completaen lugar de uno de media onda.Un rectificador controlado de onda completa requerirddos o mi{s SCR. AovenreNctei no se debe exceder el voltaje de compuerta pico en inversa. Figura 49-7. El voltaje al cual se onciende el SCR estd controlado por la corriente de compuerta en cd. R E C T I F I C A D O RC O N T R O L A D O D E S I L I C I O ( S C R ) 3 4 3 RESUMEN l . 2. 3. 6. 7. 8. 9. 10. ll. El rectifrcador controlado de silicio (SCR) es un rectificador de estado s6lido NPNP de cuatro capas que contiene un 6nodo, un cdtodo y una cornpuerta. A diferencia de un diodo rectificador, el SCR no conducirS a trav6s de su dnodo-ciitodo polarizado en directa hastaque el voltaje del 6nodo iguale o excedael valor denominado voltaie de transici6n conductiva en directa (Vanr). El voltaje de transici6n conductiva se puede controlar mediante el valor de la corriente de compuerta. Los SCR varian desde dispositivos de baja corriente hasta los de alta corriente. Las caracteristicasvoltaje-corriente en directa y en inversade un SCR se muestranen la figura 49-3. El volkje de transici6n conductiva en directa se afecta por el nivel de corriente de compuerta.La figura 49-5 ilustra que a medida que la corriente de compuertaaumenta, el Vspydisminuye; esto es, el voltaje 6nodocdtodo en directa requerido para encender el SCR se reduce. Despu6sde que un SCR se activa, la compuerta pierde el control. Asi. aumentaro disminuir la corriente de compuerta no afectardla corriente del 6nodo. Por lo tanto, un SCR es como un interruptor de encendido-apagado.Cuando 6ste se activa, este ENCENDIDO; de otro modo, estdAPAGADO. El SCR se puede conectar como rectificador que suministra corrienteen cd sin filtrar una cargacomo en la figura 49-7. Aqui la corriente de la compuerta en cd controla el punto de activaci6n o disparo. La figura 49-6 muestra las formas de onda que se ver6n en este circuito. El punto de disparo de un SCR tambi6n se puede controlar mediante la corriente de la compuerta en ca, como en el circuito de la figura 49-8. Si en estecircuito la carga fuera un foco, al variar R2la corriente de control de la compuerta deber6 afectar la brillantez de la bombilla. Este circuito se puede usar, por lo tanto, como un circuito reductor de intensidad de luz. El SCR se usa en electr6nica para suministrar corriente rectif,rcadaa una carga. El nivel de corriente rectificada estddeterminadopor la elecci6n de la corriente de control de la compuerta y los pardmetros del circuito. Para verificar su aprendizajeconteste las siguientespreguntas. 1. Un SCR es un dispositivo miis versdtil que un diodo rectificador de silicio debido a que la corrientedel 6nodo se puede controlar mediante el nivel de la corriente de -. 2. El voltaje de transici6n conductiva en directa (Vr^r) de un SCR en particular es de 150 V, de rinodo a cdtodo, cuando hay una corriente de compuertade 1.5 mA. Si la corrientede compuertase incrementaa 2.5 mA, el voltaje de transicidn conductivaen directa se hari{ (superior, inferior) a 150 V. 3. Un SCRse puedeusarcomoun de corrientealternaUna vez que un SCR se dispara permaneceENCENDIDO hasta que el voltaje del 6nodo en directa se , o hastaque el nivel del voltaje del 6nodo en directa estd pordebajo del requerido para sostenerla corriente de mantenimiento. 5. Cuando la fuente del rinodo de un SCR es voltaje de alterna. el rectificador se durants el semiciclo negativo. 6. En la figura 49-6 el punto sobre la forma de onda del voltaje de dnodo a cdtodo en el que el SCR se dispara es _. Este permanececonduciendo hasta que el voltaje de 6nodo a cdtodo en se alcanza,cuando6stese apaga. 1 La forma de onda de Ia corriente en la figura 49-6 muestra que la corriente de carga permanececonstante durante el tiempo que el SCR estd ENCENDIDO. (verdadero,falso) 8. La fuente de corriente de compuerta de un SCR puede ser 9. El voltaje de polarizaci6nen directa de un SCR, de iinodo a cii.todo,es de cd. El nivel de corriente de la compuerta se ajusta para disparar el SCR. Una vez que 6ste lo dispara el SCR se puede apagaral reducir (verdala corriente de compuerta. dero,falso) 10. La corriente de mantenimiento es la corriente de (compuerta, dnodo) que debe estar por debajo para que el SCR se apague. 4. MATERIAL NECESARIO fuente de cd de 0 a 50 V variaFuentede alimentaci6n: ble regulada' miliamper(metro de . ;;.t* ;sciloscopio de cd; EVM; con intervalos equivalentes' cd de 0 a l0 mA o un VOM 100 O a r/zW; 500 O a 5 W' 5 O' . Resistores:200 O, L000 equivalente'con di. Semiconductores:SCn ZNf SSO'o o equivalente-'tipuao. de calor; 1N5625 a 120 V en el primario' pot"n"iu . Ofios: transformado' J" (Triad F-40X o equivalen25\t al A en el se"undu'io a 2 W; dos interruptores O 000 ie); potenci6metro de 5 de un Polo un tiro' . se usaunaalimentaci6n neraprecisa.Obsemequecuando apagaret.SCRdespu4s de al 6nodode cd, la 'ini'o-\o'*o alilnentaci6nde v.ol.taie,-de a de que se dispara "' oiiio' nidet dnido por debajodel 6nodo,o reducir to 'o"iZi" vel de la corrientede mantenimiento' de Voltaiede Snodoen Gd'corriente comfuertaen cd .l.con""."elcircuitodelafigura4g-g.Losinterrupto. esunafuentede alimenres51y 52est6noi'uto''Vtaci6nvariableY regulada de la fuentede alien 15V #;iJ"t a trav6s V* Fije 2. valores vezhasta baja corriente tiene los "on Sr-oi:i"'to'No varte-V*.otra Nom: el SCR 2N1596 de mentaci6n coA' M1midela coniente de 6nodo rms de 1'6 quelas in't'o""iJn"t lo indiquen' nominales siguientes:conienie de voltaje 100 de seenciende;M2' la potitiva sCR rriente de compuertu pito 'mA'no se deben del 6nodoa"'pu?' o" qo" tf el vo]taj1de 6nodoa c6ae 16 V' Esto''ualo'es nominales "";pt"* corrientea" "o*pu"*u' y V" de et voltajea trav6-s exceder. todo.cuandoa'5in ,L airpara, L a c o r r i e n t e d e c o m p u e r t a r e q u e r i d a p a r a ede n c comenderel 6stecaer6uunuu-ro,*uybajo(alrededorde0.la3 por V* y Adem6s' las corrientes a"t at'odo'I^' estarA!11taaa corriente y la SCR puede variar mucho' de el SCRENCIENDE el 2N1596en-el intervalo puertanecesariu'pu'u ai'purar la magnituda" nr' futu "riando puedemane- 6nodo que el SCR voltajes de alimentaci6n ie muy cercana' La primera manera jar, se pueden agrupar de por lo tanto' exploratoria' El parte de esteexpenmento ser6' de compuerta requerida estudianted"te'm'nani la coniente al dnodo prialimentac-i9n la - - para encenderef SCn cuanao en40 V decd' il." * ile "n rSV decd' y luego de disparodel "u'i"t"titticas tu' de ouservar Despuds rectificaci6n caracteristicas-de SCR, el lector estuiial las al 6nodode ca' alimentaci6n del 2N1596 medianteuna se explican con cuidado en Las ticnicas "xperf^entotes ma' Estasse deberdnseguir de las siguientesinstucciones' = 't, A J, VM (aproximadamente) Rt de la Fiie la salida de R2 (control il;;;;4. coniente de'la com- er c;;;,'sr Ysz'iEstdENcENDIDo SCR? el valor de la Ajuste R2enforma g';;;oLverificando corrientedecompuertu';u"oenelpuntodondeel SCR se ENCIENDE' Rr ?20fi del SCFI' Figura 49-9. Circuito experimental en cd para determinarlas caracteristicas R E C T I F I C A DoR coNTRoLADoDE srLrcro (scR) 345 5 . Abra 51. ReajusteR, de modo que el voltaie Nore,: si el SCR na se enciende,quizd sea necesarioreducir el valor del resistor de 5 100 f,) en el circuito de la compuerta, o eliminarlo por completo. 6. 7- Mida y registreen la tabla 49-1, en la columna de intento 1, la corriente de compuerta requerida para encender el SCR. Mida y registre tambidn el voltaje de 6nodo, yDF, a trav6s del SCR despudsde que 6ste se haya encendido. Mida y registre la corriente del 6nodo, 1o,despu6sde que el SCR est6 ENCENDIDO. 8. 9. TABLA 49-1. Voltajede dnodo en cd, corrientede la compuertaen cd 10. de com_ puerta sea de nuevo 0 V. Repita el paso 4 i anoresu, resultadosen la columna de intento2. Repita el paso5 para el intento 3. Despu6sde que el SCR se dispara,en el paso 6, abra ,S2,removiendo la corriente de compuerti. Observe y registre en la tabla 49-l el efecto, si lo hay, sobre la corriente del 6nodo, despu6sde que el SCR est6 EN_ CENDIDO, al abrir el intemrptor de la compuerta52. Abra 51. Ahora ambos, Sr y Sz,est6n abiertos. Fije V* en 40 V medidos a trav6s de la fuente de ali_ mentaci6n con Sl abierto. Fije Rr, el control de la co_ rriente de compuerta, en 0 Y. Cierre Sz y Sr. En los tres intentos determine la corriente de compuerta requerida para disparar el SCR, siguiendo el proceso delineado en los pasos 4 y 5. Registre sus resultados en la tabla 49-1. Repita el paso 7 despu6sdel tercer intento. Control de la compuena en cd y la tuente del 6nodo en ca Efectosobrela corrientedel 6nodo,despu6sde que el SCRestd ENCENDIDO,al abrir el intemrptorde la compuerta52: Paso7 Paso10 11. Conecteel circuito de la figura 49-10. Sr y 52 estdn APAGADOS (CERRADOS). Zes el transformadorde 'potencia que se us6 en los primeros experimentos de fuentesde alimentaci6n.F|jeV66,la alimentaci6nde la compuerta en cd, en 6 V. 12. Sl cerrado;,S2permaneceabierto. Fije el osciloscopio en lfnea disparo/sincronizaci6n.Obser.rela forma de onda de A a C. Ajuste los controles del osciloscopio 5m a/5w fl. uutr*- I *a"o u.fh CONTROL DE COMPUERTA parael controlde compuertaen cd. Figura49-10.Circuitoexperimental t71 1 kfl TABLA 49-2. Fuente del dnodo en ca, control de la compuerta en cd Nilmero de la forma de onda Angulo de conducci1n Referencia I (m6x) 2 (mfn) s2 o-10mA - ll *'I"^ 5.rie 12OV/6O Hz 500a/s w G.100mA de ca parael controlde la compuertaen ca. Figura49-11. Circuitoexperimental hasta que esta forma de onda de referencia aparezca como en la tabla 49-2. Mida y registreen la tabla 49-2 su voltaje pico a pico. Observe la forma de onda a trav6s del SCR, puntosB y C.llsta deberdser la misma que la forma de onda de referencia mientras el SCR estdAPAGADO. Cuando el SCR estd ENCENDIDO, la forma de onda del voltaje de 6nodo a cdtodo (figura 49-6) aparecerSen el osciloscopio. 13. Cierre Sy.Varie poco a poco Rr, el control de la corriente de compuerta, sobre su intervalo completo y observe el efecto sobre la forma de onda del dnodo al cdtodo (Vs6). En la tabla 49-2 dibuje en la fase apropiada con V66.como referenciapara el periodo de conducci6n ruixinn (forma de onda 1) y para el periodo de conducci6n minima (forma de onda 2). Mida para cada uno la amplitud del pico positivo de la forma de onda, la corriente de carga, [, la corriente de la compuerta,I o, y el dngulo de conducci6n (duraci6n en grados del intervalo de encendido en cualquier ciclo completo). Registre los datos en la tabla 49-2. Controlde la compuertaen ca y fuente del 6nodo en ca 14. Desenergizar.Modifique el circuito experimentalanterior para conformar el circuito de la figura 49-ll. Observe que se usa una fuente de ca en la compuerta, rectificada de modo que en ella aparecenlos semiciclos posllivos. 15. Energizar. Con el osciloscopio conectado a trav6s del resistor de carga (V6j observe la forma de onda del voltaje de carga a medida que ftr, el control de la corriente de la compuerta, varia desdeel minimo hasta el m6ximo. Registreen la tabla49-3 los dngulosde conducci6n minimo y mdximo, y las forma de ondacorrespondientesen la carga. 16. En la tabla 49-3 registretambi€n los valoresmedidos de la corriente de compuerta, 16,y la corriente de carga, 17,para los dngulos de conducci6n minimo y m6ximo. TABLA 49-3. Fuente del dnodo en ca, control de la compuerta en ca Nrtmerode la forma de onda Angulo de conducci1n en grados /6, mA Referencia Mdximo (l) M(nimo (2) PREGUNTAS 1. 2. 3. 4. Despudsde encenderel rectificador, l,qu6 efecto tuvo la alimentaci6n de voltaje al 6nodo sobre Ia corriente del 6nodo? ;C6mo afectardla magnitud de la resistenciade carga el nivel de la corriente de carga en el circuito de la figura 49-9? ;C6mo varfael voltaje de transici6nconductivaen directa con la corriente de polarizacidn? Refiera especificamente sus datos para confirmar su respuesta. ;C6mo varia la corriente de carga con el 6ngulo de conducci6n?Refiera sus datos en la tabla 49-2. Con baseen la forma de onda l, tabla 49-2, identifique el punto de voltaje de transici6nconductivaen directa. 6. iQu6 arreglo de disparo/sincronizaci6n en este experimento hace posible que observe las formas de onda con la fase y los tiempos apropiados con la forma de onda de referencia? Compare la efectividad de la fuente de disparo de la compuertaen cd contra la de ca sobreel confrol de la corrientedel 6nodo en esteexperimento.