Conmutación en tiristores: tipos y cálculo de redes de amortiguamiento

Resumen

El documento explica los tipos de conmutación en tiristores, distinguiendo entre conmutación natural y forzada, y describe los métodos para implementar la forzada. Además, detalla el procedimiento de cálculo de una red de amortiguamiento, incluyendo la selección de R1, la constante de tiempo y la determinación de R2 y C a partir de la tasa máxima de subida de voltaje.

Puntos clave

La conmutación natural se produce con la energía de una fuente alterna y carga resistiva pura, sin desfase entre voltaje y corriente.
En la conmutación forzada se obliga a la corriente a circular por el tiristor en sentido inverso, reduciendo el tiempo de vaciado.
La conmutación forzada se utiliza en circuitos con voltaje de entrada directo (VCD), donde el tiristor no pasa a corte de forma natural.
Métodos de conmutación forzada: contacto mecánico y carga de condensador mediante un impulso de corriente en la compuerta.
El cálculo de la red de amortiguamiento parte de R1 para limitar la corriente de descarga pico del condensador.
La constante de tiempo se define como τ = R2C y la tasa máxima de subida como dv/dt = Vto / (R2C).

Ponte a prueba

Tipos de Conmutación en Tiristores

Conmutación Natural

La conmutación natural se produce gracias a la energía suministrada por la fuente de entrada. La fuente de voltaje es alterna y la carga es resistiva pura, por lo que no se genera desfase entre el voltaje y la corriente.

Conmutación Forzada

En la conmutación forzada, se obliga a la corriente a circular a través del tiristor en sentido inverso, logrando un tiempo de vaciado más corto.

Aplicaciones de la Conmutación Forzada

La conmutación forzada se utiliza en circuitos con tiristores donde el voltaje de entrada es directo (V_CD). En estos casos, el tiristor no puede pasar a corte de forma natural, por lo que se necesita un circuito auxiliar para forzar la conmutación.

Métodos para Implementar la Conmutación Forzada

Existen diversas formas de llevar a cabo la conmutación forzada, entre las que destacan:

Contacto mecánico: Se interrumpe el circuito mediante un cortocircuito o introduciendo una corriente inversa con una fuente auxiliar, llevando al SCR a corte.
Carga de condensador: Se aplica un impulso positivo de corriente en la compuerta mediante la conexión de un generador adecuado entre los terminales de compuerta y cátodo, mientras se mantiene un voltaje positivo entre ánodo y cátodo.

Al aplicar un voltaje V_G, se reduce el voltaje (V_AK) necesario para disparar el tiristor a un valor inferior al V_AK aplicado en ese instante.

Cálculo de Redes de Amortiguamiento para Tiristores

El proceso de cálculo de una red de amortiguamiento implica los siguientes pasos:

Selección de R1: Se elige R1 (ver Figura 3) para limitar la corriente de descarga pico del condensador a través del MOC3011M. Esta resistencia se calcula como:
R1 = Vpk / Imax = 180 / 1.2 A = 150Ω
En la práctica, se puede utilizar un valor estándar de resistencia de 180 ohmios para R1.
Determinación de la constante de tiempo: Se establece la constante de tiempo τ = R2C. Asumiendo que el triac se apaga rápidamente, la tasa máxima de subida en el MOC3011M se calcula como:
dv / dt = Vto / τ = Vto / R2C
Cálculo de R2C: Se iguala la tasa máxima de subida al peor caso de dv/dt (estático) para el MOC3011M (obtenido de la Figura 4) y se resuelve para R2C:
dv / dt (TJ = 70 °C) = 0.8 V / μs = 8 × 10⁵ V / s
R2C = Vto / (dv / dt) = 180 / (8 × 10⁵) = 225 × 10^-6
Selección de R2 y C: Se busca el mayor valor de R2 disponible, considerando los requisitos de la compuerta del triac. Por ejemplo, usando el triac de potencia FKPF12N80 de Fairchild, con IGT = 30 mA, y asumiendo que el triac debe activarse cuando Vin ≤ 40V:
(R1 + R2) = Vin / IGT = 40 / 0.030 ≈ 1.33 kΩ
Si se elige R2 = 1200 Ω y C = 0.1 μF, se cumplen los requisitos de amortiguamiento. Triacs con compuertas menos sensibles requerirán un R2 más bajo y un C proporcionalmente más alto, como se ilustra en la Figura 3.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre conmutación natural y forzada en tiristores?

La conmutación natural aprovecha la energía de una fuente alterna para apagar el tiristor, mientras que en la forzada se obliga a la corriente a circular en sentido inverso. Esta última se usa cuando el voltaje de entrada es directo y el tiristor no puede pasar a corte por sí mismo.

¿Cuándo se necesita conmutación forzada?

Se necesita en circuitos con tiristores alimentados por voltaje continuo directo (VCD), ya que el tiristor no puede pasar a corte de forma natural. En estos casos se requiere un circuito auxiliar para forzar la conmutación.