Rectificador de tiristores

Los tiristores, también llamados rectificadores controlados por silicio, o SCR, son dispositivos electrónicos utilizados en atenuadores de luz, controladores de velocidad de motor y reguladores de voltaje. Al igual que un diodo, un tiristor tiene un ánodo y un cátodo, y conduce en una sola dirección. De hecho, el símbolo esquemático de un tiristor se asemeja a un diodo, pero con un tercer terminal que representa la puerta, que controla el flujo de corriente. Sin embargo, a diferencia de un diodo, se requiere un pequeño pulso de corriente en la puerta para encender el tiristor, de modo que la corriente directa pueda fluir del ánodo al cátodo. El tiristor se apaga si esta corriente directa cae por debajo de un umbral de enclavamiento. En el estado apagado, un tiristor bloquea la conducción en ambas direcciones. La capacidad de encender y apagar permite que el tiristor rectifique, es decir, pase la corriente de una sola polaridad y regule la cantidad de energía de CA a alortar. Este video demostrará cómo controlar un tiristor activando la puerta en varios puntos durante un ciclo de CA.

Los tiristores están compuestos por cuatro capas alternas de semiconductores de tipo P y N, que forman una estructura PNPN. El cable del ánodo está conectado al material tipo P en un extremo. El cable del cátodo está conectado al material de tipo N en el otro extremo. Y el cable de la puerta está conectado a la capa de tipo P junto al cátodo. En este circuito simple, con una fuente de alimentación de CA en serie con el tiristor y una carga, la entrada de CA por sí sola no puede impulsar el tiristor hacia adelante. La corriente puede fluir del ánodo al cátodo solo después de que un pulso de corriente a la puerta active el estado encendido. Este pulso debe ocurrir mientras el voltaje de la fuente es positivo. De lo contrario, el tiristor permanece apagado y bloquea la corriente. Los tiristores son biestables, lo que significa que pueden descansar en dos estados diferentes. Por lo tanto, el modo de conducción directa persiste mientras el voltaje de la fuente sea positivo y la corriente esté por encima del umbral de enclavamiento. Si la corriente cae por debajo de este umbral, el tiristor entra en el modo de bloqueo y permanece en ese estado hasta que se vuelve a activar. La diferencia de fase entre el pulso de puerta y el cruce por cero de una fuente de CA sinusoidal es el ángulo de disparo. Por ejemplo, un pulso de disparo al mismo tiempo que el cruce por cero inicial tiene un ángulo de disparo de cero grados, lo que resulta en una rectificación completa de media onda, como un diodo. En este caso, el tiristor pasa toda la energía de la parte positiva del ciclo a la carga. Si el pulso coincide con el pico del voltaje de CA, el ángulo de disparo es de 90 grados y la carga recibe energía de solo la mitad del ciclo positivo. Finalmente, un pulso al mismo tiempo que el cruce por cero negativo da como resultado un ángulo de disparo de 180 grados, sin corriente conducida y sin transferencia de energía en absoluto. El objetivo de este experimento es estudiar un circuito rectificador de tiristores activado a diferentes ángulos de disparo y comparar los voltajes de salida promedio resultantes.

Debido a que estos experimentos utilizan corriente alterna de 120 voltios, evite el contacto con los cables expuestos, lo que puede causar electrocución y lesiones o la muerte. No toque ninguna parte del circuito mientras esté energizado y no conecte a tierra el VARIAC. Para más información sobre seguridad eléctrica, consulta el vídeo de Jove Science Education "Precauciones de seguridad y equipamiento básico". Primero, configure el osciloscopio conectando la sonda de alcance estándar a un canal y la sonda diferencial a un segundo canal. Configure la sonda diferencial con una atenuación superior a 20. Ajuste la amplificación en el menú del osciloscopio para el canal de la sonda diferencial. Utilice 20x si está disponible para la sonda diferencial. De lo contrario, use 10x y duplique las mediciones del osciloscopio. Cancele cualquier desplazamiento del osciloscopio recortando los terminales de la sonda diferencial y ajustando la posición vertical de las trazas a cero voltios. Durante este experimento, el VARIAC proporciona voltaje de CA con una frecuencia de línea de 60 hercios. Antes de ajustar el VARIAC, asegúrese de que esté apagado y de que no haya nada conectado a la salida. Luego gire la perilla de control al 15 por ciento de salida. Conecte el cable de salida al VARIAC y conecte los terminales de la sonda de alcance diferencial a los conectores banana del cable. Encienda el VARIAC, observe la forma de onda en el osciloscopio y ajuste el VARIAC para que la amplitud de su salida V0 sea de 35 voltios. Cambie la base de tiempo, es decir, el intervalo de tiempo por división horizontal del osciloscopio para mostrar de dos a cinco ciclos de voltaje. Capture y guarde una copia de esta forma de onda y registre esta base de tiempo y asígnela TB0 para su uso posterior. Finalmente, apague el VARIAC y no cambie su configuración.

Este primer experimento activa un rectificador de tiristores con un ángulo de disparo de cero grados. Ensamble el circuito como se muestra en una protoplaca. Utilice el VARIAC para la entrada de la fuente de CA V in. Y un puente de cable en lugar de la resistencia R2. Conecte la sonda estándar a través del voltaje de entrada V in, luego conecte la sonda diferencial a través de la resistencia de carga R para observar el voltaje de salida V out. Encienda el VARIAC y establezca el ámbito en la base de tiempo TB0, que se registró anteriormente. Debido a que el ángulo de disparo es de cero grados, el tiristor actúa como un diodo y el voltaje de salida es una onda sinusoidal semirectificada. Utilice la función matemática incorporada del osciloscopio para medir el voltaje de salida medio. Ajuste la base de tiempo para acercarse entre los puntos en los que el tiristor se apaga y luego se vuelve a encender. Utilice los cursores del ámbito para medir esta diferencia de tiempo. Apague el VARIAC y no cambie la configuración de voltaje. Mantenga todas las conexiones VARIAC y de ámbito iguales para el próximo experimento.

Para comparar los resultados con dos ángulos de disparo diferentes distintos de cero, el siguiente experimento activará el tiristor con una resistencia pequeña y luego grande para R2. Las resistencias son, en este caso, de 300 ohmios y 620 ohmios. Utilice la resistencia más pequeña para activar el tiristor en un ángulo de disparo pequeño. Retire el puente que provocó un cortocircuito en R2. Luego inserte la resistencia de 300 ohmios en su lugar. Encienda el VARIAC y establezca el alcance en la base de tiempo TB0. El ángulo de disparo ahora es mayor que cero grados y, como resultado, el tiristor se activa más tarde en la parte positiva del ciclo de CA. Mida el voltaje de salida promedio como se describió anteriormente. A continuación, acérquese y mida el intervalo de tiempo entre el momento en que el tiristor se apaga y se vuelve a encender. Apague el VARIAC. Sin cambiar la configuración de VARIAC u otras conexiones, reemplace R2 con la resistencia más grande y repita la prueba. Una vez finalizados los experimentos, apague el VARIAC, póngalo a cero y desmonte el circuito.

El voltaje de salida del circuito rectificador de tiristores es cero hasta que un pulso de puerta activa el tiristor. Después de la activación, el voltaje de salida es la parte restante de una onda medio rectificada. A medida que aumenta el ángulo de disparo, el voltaje de salida se reduce más en comparación con el de entrada y, por lo tanto, el voltaje de salida medio disminuye. En consecuencia, el ángulo de disparo determina la cantidad de potencia que un tiristor pasa a la carga.

Los tiristores pueden controlar la cantidad de energía transferida a una carga, y eran comunes en las fuentes de alimentación de CC ajustables más antiguas. Todavía se utilizan en muchas aplicaciones de control de alimentación de CA de voltaje medio a alto. En primer lugar, los atenuadores de luz comunes que se usan en hogares y oficinas tienen una perilla o control deslizante que controla un potenciómetro, que es una resistencia variable. Al cambiar la resistencia, cambia el ángulo de disparo de un tiristor y, en consecuencia, aumenta o disminuye la potencia que ilumina una bombilla. La descarga de arco anódico es un medio práctico y eficiente de sintetizar nanotubos de carbono y grafeno. Los investigadores han utilizado un campo magnético para mejorar la capacidad de control y la flexibilidad del proceso. La descarga eléctrica en esta aplicación es similar a la de la soldadura por arco. Y ambos usan tiristores de alto voltaje para controlar la potencia que crea el arco.

Acabas de ver la Introducción de Jove a los rectificadores de tiristores. Ahora debe comprender cómo funcionan los tiristores y cómo permiten el control de la alimentación de CA a los dispositivos eléctricos. Gracias por mirar.