principios y circuitos SCR

funcionamiento básico y circuitos de aplicación práctica para SCRs.

Un SCR (rectificador controlado por silicio) es un interruptor de alimentación de CC de estado sólido de media a alta potencia controlable. Este artículo explica su funcionamiento básico y muestra algunas formas prácticas de usarlo.

SCR básico

FIGURA 1., Símbolos SCR alternativos (A) y circuito equivalente SCR (b).	figura 2. Forma básica de usar un SCR como un interruptor de CC.

Un SCR es un dispositivo semiconductor de silicio PNPN de cuatro capas. Tiene tres terminales externos (ánodo, compuerta y cátodo) y utiliza los símbolos alternativos de la Figura 1(a) y tiene el circuito equivalente de transistor de la Figura 1(b). La figura 2 muestra la forma básica de utilizar el SCR como un interruptor de CC, con el ánodo positivo en relación con el cátodo, y el SCR controlado a través de su puerta., Las características básicas del SCR se pueden entender con la ayuda de estos diagramas, como sigue:

1. Cuando la energía se aplica por primera vez al SCR cerrando S1 en la Figura 2, El SCR se ‘bloquea’ y actúa (entre el ánodo y el cátodo) como un interruptor abierto. Esta acción está implícita en la Figura 1 (b), es decir, la corriente base de Q2 se deriva del colector Q1, y la corriente base de Q1 se deriva del colector Q2 o del terminal de la puerta; en este último caso, no hay corriente base disponible, por lo que ambos transistores se cortan, y solo una pequeña corriente de fuga fluye del ánodo al cátodo.,
2. El SCR se puede encender y hacer que actúe como un rectificador de silicio con sesgo hacia adelante aplicando brevemente la corriente de la puerta a través de S2; El SCR rápidamente (en unos pocos microsegundos) se autobloquea en el estado on bajo esta condición, y permanece encendido incluso cuando se retira el accionamiento de la puerta. Esta acción está implícita en la Figura 1 (b); La corriente inicial de la puerta enciende Q1, y la corriente del colector de Q1 enciende Q2, y la corriente del colector de Q2 entonces mantiene Q1 encendido incluso cuando se elimina la unidad de la puerta: se genera un potencial de ‘saturación’ de 1V aproximadamente entre el ánodo y el cátodo bajo la condición on.,
3. solo se necesita un breve pulso de corriente de compuerta para activar el SCR. Una vez que el SCR se ha autobloqueado, solo se puede apagar nuevamente reduciendo brevemente su corriente de ánodo por debajo de un cierto valor de ‘corriente de retención mínima’ (típicamente, unos pocos miliamperios); en aplicaciones de CA, el apagado se produce automáticamente en el punto de cruce cero en cada medio ciclo.
4. una considerable ganancia de corriente está disponible entre la puerta y el ánodo del SCR, y los valores bajos de la corriente de la puerta (típicamente unos pocos mA o menos) pueden controlar los valores altos de la corriente del ánodo (hasta decenas de amperios)., La mayoría de los SCRs tienen clasificaciones de ánodos de cientos de voltios. Las características de la compuerta SCR son similares a las de una unión transistor Base-Emisor (Véase la Figura 1(b)).
5. La Capacitancia interna (unos pocos pF) existe entre el ánodo y la compuerta del SCR, y un voltaje de fuerte aumento que aparece en el ánodo puede causar suficiente avance de señal a la compuerta para activar el SCR. Este’ efecto de tasa ‘ de encendido puede ser causado por transitorios de la línea de suministro, etc. Los problemas de efecto de tasa se pueden superar cableando una red de suavizado C-R entre el ánodo y el cátodo, para limitar la tasa de subida a un valor seguro.,

circuitos de conmutación de alimentación de CA

La Figura 3 muestra un SCR utilizado en una aplicación de conmutación de alimentación de CA; se muestran valores de componentes alternativos para su uso con fuentes de 240 V o (entre paréntesis) 120 V de CA. La señal de la línea de alimentación de CA se rectifica de onda completa a través de D1-D4 y se aplica al ánodo SCR a través de la carga de la lámpara LP1.

FIGURA 3. Circuito SCR on-off de onda completa con carga de alimentación de CC.	figura 4., Circuito SCR on-off de onda completa con carga de alimentación de CA.

Si S1 es abierto, el SCR y la lámpara se apaga. Si S1 está cerrado, R1-R2 aplica la unidad de compuerta al SCR, que se enciende y se autobloquea justo después del inicio de cada medio ciclo y luego se apaga nuevamente automáticamente al final del medio ciclo, ya que su corriente delantera cae por debajo del valor de retención mínimo. Este proceso se repite en cada medio ciclo, y la lámpara funciona así a plena potencia bajo esta condición.,

el ánodo SCR cae a aproximadamente 1V cuando el SCR está encendido, por lo que S1 y R1-R2 consumen poca potencia media. Tenga en cuenta que la carga de la lámpara se muestra colocada en el lado de CC del rectificador del puente, y este circuito se muestra por lo tanto para su uso con cargas de CC; se puede modificar para su uso con cargas de CA simplemente colocando la carga en el lado de CA del puente, como en la Figura 4.,

tenga en cuenta que los SCRs también se pueden usar, de varias maneras, para aplicar potencia de CA variable a varios tipos de carga, pero que estas tareas generalmente se llevan a cabo mejor por TRIACs, como se describirá en un artículo futuro; dos tipos especiales de circuitos de control de potencia de CA variable SCR se muestran, sin embargo, al final del presente artículo.

circuitos de alarma de campana / zumbador

figura 5. Circuito de alarma SCR básico.

figura 6. Circuito de alarma sin Enganche de entrada múltiple.,

figura 7. Alarma de pánico autobloqueante de entrada múltiple.

Una aplicación útil del SCR es en circuitos de «alarma» alimentados por CC que utilizan cargas auto-interrumpibles como campanas o zumbadores; estas cargas comprenden un solenoide y un interruptor en serie, y dan una acción en la que el solenoide primero dispara hacia adelante a través del interruptor cerrado, y al hacerlo, obliga al interruptor a abrirse, haciendo que el solenoide retroceda y vuelva a cerrar el interruptor, reiniciando así la acción, y así sucesivamente.,

La Figura 5 muestra dicho circuito de alarma; da efectivamente una acción de conducción de carga sin enganche, ya que el SCR se desbloquea automáticamente cada vez que la carga se auto-interrumpe. El circuito se puede hacer completamente autobloqueante, si se desea, desviando la carga con la resistencia R3, como se muestra, de modo que la corriente del ánodo SCR no caiga por debajo del valor de retención mínimo del SCR cuando la carga se interrumpe automáticamente.

Las figuras 6 a 14 muestran una selección de circuitos de alarma de este tipo. Todos estos están diseñados en torno al tipo económico C106 SCR, que puede manejar corrientes de carga medias de hasta 2.,5 amperios, necesita una corriente de compuerta de menos de 200mA, y tiene un valor de «corriente de retención mínima» de menos de 3mA. Tenga en cuenta en todos los casos que el voltaje de alimentación debe ser aproximadamente 1.5 V mayor que el voltaje de funcionamiento normal del dispositivo de alarma utilizado, para compensar las pérdidas de voltaje a través del SCR, y que el diodo D1 se utiliza para amortiguar los EMF posteriores de la alarma.

La Figura 6 muestra una alarma simple de entrada múltiple sin cierre, en la que la alarma se activa cuando cualquiera de los interruptores de entrada de botón S1 A S3 está cerrado, pero deja de funcionar tan pronto como se suelta el interruptor.,

La Figura 7 muestra el circuito anterior convertido en una alarma de pánico de entrada múltiple autobloqueante mediante el cableado R3 más el interruptor de reinicio normalmente cerrado S4 en paralelo con el dispositivo de alarma. Una vez que este circuito se ha enganchado, se puede desbloquear de nuevo (restablecer) abriendo brevemente S4.

La Figura 8 muestra un sistema de alarma antirrobo simple, completo con la instalación ‘panic’. La alarma se puede activar abriendo brevemente cualquiera de los interruptores de ‘alarma antirrobo’ S1 A S3 (que pueden ser Relés reed o microinterruptores que se activan mediante la acción de abrir puertas o ventanas, etc.).,), o cerrando brevemente cualquiera de los interruptores de ‘pánico’. C1 actúa como un supresor de ruido que garantiza que la alarma solo se active si los interruptores S1 A S3 se mantienen abiertos durante más de un milisegundo aproximadamente, mejorando así la confiabilidad del circuito. El circuito consume una corriente de espera típica de 0.5 mA (a través de R1) de una fuente de 6V.

FIGURA 8., Sistema de alarma antirrobo Simple, con instalación de pánico.	figura 9. Circuito de alarma antirrobo mejorado.

La corriente de espera del circuito de alarma antirrobo se puede reducir a un mero 1.4 mA (a 6V) modificándolo como se muestra en la Figura 9, donde Q1 y Q2 están conectados como un amplificador emisor común de Darlington que invierte y aumenta la señal antirrobo derivada de R1 y luego lo pasa a la puerta de la SCR., Aquí, C1 se utiliza como un componente de retardo de tiempo que garantiza que la alarma solo se active si los interruptores S1 A S3 se mantienen abiertos durante más de unos segundos; el valor de C1 se puede reducir considerablemente, si se desea.

alarmas de agua, luz y calor

El circuito de alarma básico impulsado por SCR se puede utilizar para indicar la presencia de exceso de agua, luz o niveles de temperatura al conducir la puerta SCR a través de circuitos de detección adecuados; las figuras 10 a 14 muestran circuitos de alarma de este tipo.,

la alarma ‘activada por agua’ de la Figura 10 utiliza Q1 para activar el SCR cuando aparece una resistencia de menos de aproximadamente 220k a través de las dos sondas metálicas. Su funcionamiento como alarma activada por agua se basa en el hecho de que las impurezas en el agua normal (y muchos otros líquidos y vapores) hacen que actúe como un medio conductor con una resistencia eléctrica moderadamente baja, lo que hace que la alarma se active cuando el agua entra en contacto con ambas sondas simultáneamente.,

FIGURE 10. Water-activated alarm.	FIGURE 11. Light-activated alarm.

C1 suppresses unwanted AC signal pick-up, and R2 limits Q1’s base current to a safe value., Al ajustar adecuadamente la colocación de las dos sondas metálicas, este circuito se puede utilizar para hacer sonar una alarma cuando el agua se eleva por encima de un nivel preestablecido en un baño, tanque o cisterna, etc.

La Figura 11 es un circuito ‘activado por luz’ que se puede usar para hacer sonar una alarma cuando la luz entra en un área normalmente oscura, como una caja fuerte para cajones o paredes, etc., El LDR y el RV1 forman un divisor de potencial sensible a la luz que tiene su salida tamponada a través de Q1 y alimentada a la puerta SCR a través de R1; esta salida es baja en condiciones oscuras (la resistencia LDR es alta), pero es alta en condiciones brillantes (la resistencia LDR es baja), y por lo tanto activa el SCR y la alarma; el punto de activación de la luz se puede preestablecer a través de RV1. Casi cualquier fotocélula pequeña de sulfuro de cadmio se puede utilizar en la posición LDR.

Las alarmas activadas por temperatura se pueden usar para indicar condiciones de fuego o sobrecalentamiento, o heladas o bajo calor., Las figuras 12 a 14 muestran tres de estos circuitos; en cada uno de ellos, TH1 puede ser cualquier Termistor NTC que tenga una resistencia en el rango de 1K0 a 20k a la temperatura de disparo requerida; El Pote preestablecido RV1 necesita un valor de resistencia máximo aproximadamente el doble que el de TH1 bajo esta condición de disparo.

La alarma de sobrecalentamiento de la Figura 12 utiliza R1-R2 y TH1-RV1 como un puente de Wheatstone en el que R1-R2 genera un voltaje fijo de ‘referencia’ de media fuente y TH1-RV1 genera un voltaje ‘variable’ sensible a la temperatura, y Q1 se utiliza como un detector de equilibrio de puente y un controlador de puerta SCR., RV1 se ajusta de modo que las tensiones’ referencia ‘y’ variable ‘ sean iguales a una temperatura justo por debajo del valor de disparo requerido, y bajo esta condición, la base Q1 y el emisor están a voltajes iguales y Q1 y el SCR se cortan.

FIGURA 12. Alarma de sobrecalentamiento Simple.	figura 13. Alarma simple de heladas o temperatura baja.,

Cuando la temperatura TH1 supera este valor de ‘balance’, el voltaje TH1-RV1 cae por debajo del valor de ‘referencia’, por lo que Q1 se sesga hacia adelante y activa el SCR, haciendo sonar la alarma. El punto de disparo preciso se puede preestablecer a través de RV1.

la acción del circuito se puede invertir, de modo que la alarma se enciende cuando la temperatura cae por debajo de un nivel preestablecido, simplemente transponiendo las posiciones TH1 y RV1 como se muestra en el circuito de alarma de heladas o baja temperatura de la Figura 13.,

figura 14. Alarma de sobrecalentamiento de precisión.

tenga en cuenta en estos dos circuitos que si TH1 y Q1 no están montados en el mismo entorno, los puntos de disparo precisos están sujetos a una ligera variación con los cambios en la temperatura Q1, debido a la dependencia de la temperatura de sus características de unión base-emisor. Por lo tanto, estos circuitos no son adecuados para su uso en aplicaciones de precisión, a menos que Q1 y TH1 funcionen a temperaturas iguales.,

este inconveniente se puede superar utilizando un detector diferencial de dos transistores en lugar de Q1, como se muestra en la figura 14 alarma de sobrecalentamiento, que se puede hacer para actuar como una alarma de precisión por debajo de la temperatura simplemente transponiendo RV1 y TH1.

control de potencia Variable de CA

todos los circuitos SCR mostrados hasta ahora dan una forma de encendido/apagado de control de potencia. SCRs (y TRIACs) se pueden utilizar para dar control de potencia variable en circuitos de CA de varias maneras., Uno de ellos es a través de la técnica de ‘conmutación con retraso de fase’ de la Figura 15, en la que la potencia se alimenta a la carga a través de un interruptor de potencia de estado sólido de autobloqueo que puede activarse (a través de una red de retardo de fase variable y un generador de impulsos de disparo) en cualquier punto de cada medio ciclo de potencia, y se desbloquea automáticamente de nuevo al final de cada medio ciclo. El diagrama muestra las formas de onda de tensión de carga que se pueden generar.

figura 15. Controlador de alimentación de CA Variable con retardo de fase con formas de onda.,

Por lo tanto, si el interruptor de alimentación se activa cerca del inicio de cada medio ciclo (con cerca de 0° de retraso de fase), la tensión de carga media es igual a casi el valor de suministro completo, y la carga consume energía casi máxima; si se activa cerca del final de cada medio ciclo (con cerca de-180° de retraso de fase), la tensión de carga media es casi cero, y la carga consume energía mínima; variando el retraso de fase de la señal de disparo entre estos extremos, la alimentación de potencia de la carga puede variar entre cero y máximo.,

esta forma de control de potencia variable es muy eficiente (típicamente 95%), y puede (entre otras cosas) ser utilizado para controlar las velocidades de muchos tipos de motores eléctricos, incluyendo los de taladros eléctricos y trenes modelo (Ver figuras 16 y 17).

un controlador de velocidad de perforación

figura 16. Controlador de velocidad de taladro eléctrico.

La mayoría de los taladros eléctricos son alimentados por motores eléctricos «universales» (AC/DC) enrollados en serie., Estos motores generan un back-EMF que es proporcional a la velocidad del motor, y el voltaje aplicado Efectivo del motor es igual al voltaje aplicado verdadero menos el back-EMF; esto le da al motor un grado de autorregulación de la velocidad, ya que cualquier aumento en la carga del motor tiende a reducir la velocidad y back-EMF, aumentando así el voltaje aplicado efectivo y causando que la velocidad del motor aumente hacia su valor original, y así sucesivamente.

la velocidad de un taladro eléctrico se puede variar electrónicamente mediante el uso de la técnica de ‘conmutación retardada de fase’., La figura 16 muestra un circuito regulador de velocidad variable particularmente efectivo pero simple. Esto utiliza un SCR como elemento de control y alimenta la potencia de media onda al motor (esto causa una reducción del 20% en la velocidad/potencia máxima disponible), pero en los ciclos de media salida, El SCR detecta el back-EMF del motor y se usa para dar un ajuste automático del siguiente pulso de compuerta, para dar regulación automática de la velocidad.

la red R1-RV1-D1 proporciona solo 90° de ajuste de fase, por lo que todos los pulsos del motor tienen una duración mínima de 90° y proporcionan un par muy alto., A bajas velocidades, el circuito entra en un modo de «ciclo de salto» de alto par, en el que los pulsos de potencia se proporcionan intermitentemente, para adaptarse a las condiciones de carga del motor.

controlador de velocidad modelo-tren

La Figura 17 muestra cómo la técnica de ‘conmutación retardada de fase’ se puede usar para hacer un excelente controlador de Velocidad Modelo-tren de 12 voltios que permite variar la velocidad suavemente de cero a máximo.

figura 17. Circuito controlador de velocidad de tren modelo con protección automática contra cortocircuitos.

La corriente de salida máxima disponible es 1.,5 amperios, pero la unidad incorpora circuitos de detección y protección de cortocircuito que limita automáticamente la corriente de salida a un valor medio de solo 100mA si se produce un cortocircuito en la pista. El circuito funciona de la siguiente manera.

el voltaje de la línea eléctrica del circuito se reduce a través de T1 y se rectifica de onda completa (puente) a través de BR1, para producir una fuente de CC sin procesar (sin arranque) que se alimenta al tren modelo (a través de los rieles de la Vía) a través del SCR conectado en serie y el interruptor de control de dirección SW3.,

al inicio de cada medio ciclo de CC crudo, El SCR está apagado, por lo que el voltaje de CC se aplica (a través de R4 y ZD1) al transistor unijunción (UJT) Q1 y su asociado C1-RV1 (etc.) circuitos de sincronización, y C1 comienza a cargar hasta que finalmente el UJT dispara y dispara el SCR; a medida que el SCR se enciende, se satura, eliminando la potencia del Q1 (que por lo tanto se restablece) y alimentando el resto del medio ciclo de potencia al tren modelo a través de R2//R3 (= R2 y R3 en paralelo) y SW3.

este proceso de sincronización / conmutación se repite en cada medio ciclo de CC sin procesar (i. e.,, al doble de la frecuencia de la línea de alimentación), dando una acción clásica de control de potencia accionada por fase que permite variar la velocidad del tren en un amplio rango a través de RV1.

tenga en cuenta que la corriente de salida del circuito pasa a través de R2/R3, que generan un voltaje de salida proporcional que se detecta y almacena a través de D1-C2 y se alimenta a la base Q2 a través de R8-R9.

la acción general es tal que, debido a la acción de almacenamiento de voltaje de C2, Q2 se enciende y desactiva la red de temporización de UJT (evitando así que el SCR se dispare) durante varios semiciclos si la corriente de salida pico excede 1.5 amperios.,

por lo tanto, si se produce un cortocircuito a través de la pista, la corriente de salida de medio ciclo está limitada a un valor máximo de unos pocos amperios por la resistencia interna del circuito, pero el circuito de protección garantiza que el SCR se dispare solo una vez cada 15 semiciclos, limitando así la corriente de salida media a solo 100mA o algo así.

tenga en cuenta que el UJT que se muestra aquí es un tipo tis43 obsoleto, y que en la práctica cualquier tis43 o 2N2646 casi equivalente UJT puede ser utilizado en su lugar.

SCRs Optoacoplados

figura 18., Esquema típico (a) y características (B) de un SCR optoacoplado.

figura 19. Control de alta potencia a través de un esclavo SCR optoacoplado.

Los SCRs son dispositivos semiconductores de conmutación de potencia que (como los transistores) son inherentemente fotosensibles. Un SCR optoacoplado es simplemente un SCR y un LED montado en un solo paquete y configurado para que la corriente de compuerta del SCR sea controlada por la salida óptica del LED, lo que permite que el SCR sea controlado por una corriente de entrada remota que está eléctricamente completamente aislada del circuito de salida (Carga) DEL SCR.,

La Figura 18(a) Muestra el esquema típico de un SCR optoacoplado que está montado en un paquete DIL de seis pines, y la Figura 18 (b) enumera los valores de parámetros típicos de dicho dispositivo, que tiene una clasificación de corriente de carga de salida media de solo 300mA, pero tiene una clasificación de corriente de sobretensión de 5A a un ancho de pulso de 100mS y un ciclo de trabajo del 1%.

Los SCRs Optoacoplados son muy fáciles de usar; el LED de entrada se maneja de la manera de un LED normal, y el SCR se usa como un SCR normal de baja potencia.,

la aplicación más importante del SCR optoacoplado es un dispositivo ‘esclavo’ que controla la corriente de compuerta de un SCR De alta potencia, que puede activar una carga de cualquier potencia deseada. La figura 19 muestra un ejemplo de este tipo de aplicación. NV