CIRCUITOS DE DISPARO SIN AISLAMIENTO

INTRODUCCIÓN

En este tema estudiaremos circuitos amplificadores (“Drivers”) con las siguientes características:

Toman señales procedentes de un sistema digital (5V, 3.3V...) y las amplifican a niveles adecuados para la conmutación de dispositivos de potencia.

Dependiendo de las características del dispositivo a controlar, podrán ser de baja o media potencia.

Deben generar señales adecuadas para garantizar:

o La conmutación rápida con pérdidas mínimas. o La entrada en conducción segura del dispositivo, con pérdidas en

conducción mínimas. o El corte seguro evitando que entre en conducción espontáneamente. o Deben incluir las protecciones adecuadas para evitar la destrucción

del dispositivo que controlan:

Sobrecorriente. Tiempos muertos en ramas de puentes.

El circuito de disparo es una parte integral de un convertidor de potencia, y consiste en dispositivos semiconductores de potencia. Las salidas de un convertidor que depende de la forma de onda en que el circuito de disparo se excita a los dispositivos de conmutación es una función directa de la conmutación por consiguiente, las características del circuito de disparo son elementos clave para obtener la salida deseada y los requisitos de control de cualquier convertidor de potencia. El diseño de un circuito excitador requiere conocer las características de compuerta y las necesidades de dispositivos como tiristores apagados por compuerta (GTO), transistores bipolares de unión (BJT), transistores de efecto de campo metal-oxido semiconductor (MOSFET) y transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT). EXCITADOR DE COMPUERTA PARA MOSFET Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y tienen una impedancia de entrada muy alta. La compuerta consume una corriente de fuga muy pequeña, del orden de los nanoamperes. El tiempo de encendido de un MOSFET depende del tiempo de carga de la capacitancia de entrada o de compuerta. El tiempo de encendido se puede reducir conectando un circuito RC, para cargar con mayor rapidez la capacitancia de compuerta. Cuando se conecta un voltaje a la compuerta, la corriente inicial de carga de la capacitancia es:

IG = VG / RS

y el valor de estado permanente de voltaje de compuerta es

VGS = RGVG / (RS + R1 + RG) donde RS es la resistencia interna de la fuente que excita la compuerta. EXCITADOR DE BASE PARA BJT La velocidad de conmutación se puede aumentar reduciendo el tiempo de activación, encendido, y el tiempo de desactivación, apagado. Se puede reducir el tiempo de encendido permitiendo un pico de la corriente de base durante la activación, dando como resultado una B forzada baja al principio. Después de la activación puede aumentar la B forzada baja hasta un valor suficientemente alto como para mantener el transistor en la región de casi saturación. El tiempo de desactivación se puede reducir invirtiendo la corriente de base y permitiendo un pico de la corriente de base durante la activación. Al aumentar el valor del voltaje de pico de la corriente inversa IB2 disminuye el tiempo de almacenamiento.

Las técnicas de uso común para optimizar la activación de la base de un transistor son:

1) Control de encendido 2) Control de apagado 3) Control proporcional en base 4) Control por antisaturación

Diseño del circuito disparo:

1. Se parte de una velocidad de corte deseada, a partir de la cual se estima el valor de la corriente negativa que debe circular por la base durante el tiempo de almacenamiento (corte del BJT de potencia, ecuación 9-1).

2. Conocido el valor de la corriente de base y de tensión base-emisor con el BJT en estado de conducción, se determina de la ecuación 9-2.

3. Se calcula de la ecuación 9-3, suponiendo que vale unos 8 Volt. Un valor pequeño de disminuye las pérdidas (del orden de . ) en el circuito de base pero, un valor excesivamente pequeño de aumenta la

influencia de en el circuito de base (ecuación 9-3).

En el circuito a) : =( + ) y = ;

Problemas: o Si se necesita conmutar a alta velocidad, deben ser ambas

resistencias de valor pequeño. o Aparece una disipación de potencia importante durante debido

al pequeño valor de : ≈ ( /T) ( / ).

En el circuito b): = = .

o No se presenta el problema de disipación, al conducir sólo uno de los

dos transistores a la vez.

o Puede hacerse muy pequeña (incluso cero). La carga y descarga de la capacidad de puerta podrá hacerse mucho más rápido y por tanto la conmutación del dispositivo (MOS o IGBT).

En el mercado existen numerosos CI con salida análoga a esta última, por ejemplo DS0026 ó UC1707 que pueden suministrar hasta 1 Amp.

Para acelerar la conmutación al corte de transistores con puerta tipo Bipolar ó MOS puede aplicarse una tensión negativa en la puerta, así:

En los BJT, aparece una corriente de base negativa que disminuye drásticamente el tiempo de almacenamiento.

En los MOS e IGBT se acelera la descarga de la capacidad de puerta como se observa en la siguiente figura:

La tensión vale 55 Volt., la resistencia de puerta es de 50 Ohmios y la tensión vale inicialmente +20 Volt, cambiando a 0 Volt, en el caso Unipolar y a –20 Volt, en el caso Bipolar. El retraso que se observa entre ambos casos es de unos 35 nS.

Se puede comprobar, que gracias al divisor de tensiones capacitivo, se puede aplicar al transistor de potencia (MOS o IGBT) una tensión negativa a su entrada

(al saturar el transistor cuando se corta el transistor ).

CIRCUITOS DE DISPARO CON AISLAMIENTO

Figura: Necesidad de aislamiento de la Señal Lógica de Control.

Tensiones elevadas (líneas rojas). Necesidad de protección del personal

que maneja los equipos de control.

Diferentes niveles de tensión dentro del convertidor y por tanto diferentes

referencias para las salidas Base-Emisor (Puerta-Fuente) de los drivers.

Se necesitan diferentes fuentes de alimentación auxiliares para los

diferentes niveles de tensión.

El aislamiento galvánico se consigue empleando optoacopladores,

transformadores de pulsos.

Acoplados Ópticamente

Figura: Señal de Control Optoacoplada.

El fotoacoplador permite conseguir un buen aislamiento eléctrico entre el

circuito de control y el de potencia.

Este tipo de aislamiento ofrece como inconveniente la posibilidad de

disparos espúreos en las conmutaciones del interruptor de potencia, debido

a la capacidad parásita entre el LED y el fototransistor.

Otro problema se debe a la diferencia de potencial entre las tierras del

fotodiodo y del fototransistor que no debe superar la tensión de ruptura.

Para minimizar estos dos inconvenientes se pueden usar fibras ópticas,

(inmunidad al ruido EMI, aislamiento de alta tensión y evitan el efecto

inductancia de los cables largos).

No permiten transportar potencia, sólo señal, por lo que será necesario una

fuente de alimentación auxiliar y un amplificador.

Figura: Circuito de Control de Base, con Aislamiento Optoacoplado de la

Señal de Control.

El diodo DA sirve para evitar la saturación completa del BJT de potencia y así

acelerar su conmutación.

Figura: Circuito de Control de Puerta, con Aislamiento Optoacoplado de la

Señal de Control.

Este circuito es útil para hacer funcionar interruptores MOS a velocidades

bajas (Los circuitos integrados digitales CMOS tienen una impedancia de

salida alta).

Para velocidades mayores pueden usarse circuitos especializados con

impedancia de salida mucho menor, por ejemplo IXLD4425, 3Amp y +/-

15v.

Acoplados magnéticamente

Figura: Señal de Control de Alta Frecuencia, Aislada con Transformador de

Pulso.

El transformador de pulsos permite transportar una señal de cierta potencia,

y a veces puede evitarse el uso de una fuente de alimentación auxiliar.

El problema es que no pueden usarse pulsos de baja frecuencia debido a la

inductancia de magnetización.

Para pulsos de frecuencias superiores a la decena de kHz y con D≈0.5

pueden conectarse directamente, conectándose bien a la puerta de

transistores de potencia, o en circuitos análogos a los vistos sustituyendo a

fotoacopladores.

Figura: Señal de Control de Baja Frecuencia Aislada con Transformador de

Pulso.

La frecuencia del oscilador podría ser por ejemplo de 1MHz, y los diodos

rectificadores serán de alta frecuencia, pero de señal.

Figura: Circuito de Base con Señal de Control Aislada mediante Uso de

Transformadores de Pulso.

Aplicación para Frecuencias de Trabajo Elevadas y Ciclo de Trabajo

aproximadamente Constante. Evita Fuente de alimentación.

Si T1 está conduciendo, ib sería negativo y por tanto, T2 se cortará. La corriente de

magnetización por el transformador (por Lm) será transcurrido un tiempo:

⁄

Al cortar T1 cuando por Lm circula ip, se hace circular una corriente por la base, y

por tanto por el colector, de forma que al interactuar los devanados 2 y 3 será:

⁄

Además, durante el tiempo que está cortado T1 Cp se descargará por Rp. Si en

estas condiciones se vuelve a saturar T1, la tensión aplicada al devanado 1 es VBB

y la corriente ip por el transformador podrá ser muy alta, de forma que:

⁄ ⁄

Si se eligen adecuadamente las relaciones de transformación, podrá hacerse la

corriente de base negativa y se cortará el transistor de potencia.

Figura: Circuito de Puerta con Señal de Control Aislada con Transformador

de Pulso. Aplicación para Bajas Frecuencias de Trabajo.

Si Vcontrol=1, aparece una señal de AF en el transformador, cargando una vez

rectificada los condensadores C1 y C2⇒ Vi=”0” y el CI está alimentado, al ser

inversor dará una salida Vo=”1”, haciendo que el MOS de potencia conduzca.

Si Vcontrol=”0”, no hay tensión de AF en el transformador y C2 se descarga por R2⇒

Vi=”1”, mientras que C1 se mantiene en carga (DB impide que se descargue), luego

Vo=”0”.

Si el circuito integrado es de bajo consumo (p.ej. 7555) se puede mantener

cargado C1 hasta el próximo disparo.

CIRCUITOS DE DISPARO CON DISPOSITIVOS DIGITALES

Cuando la señal de entrada se encuentra contaminada con ruido, la conmutación de un circuito digital o analógico ya no se efectúa en el tiempo preciso para el cual se diseñó el circuito y, en consecuencia, se produce una indecisión o indeterminación en el umbral o momento de la comunicación, esto se puede apreciar en la figura, esta indeterminación también puede llamarse parpadeo.

En la figura se observan cambios falsos en la salida; para evitarlos, una solución es aplicar el concepto de histéresis de circuitos magnéticos.

Circuito digital Schmitt Un circuito de disparo tipo SCHMITT no entra en la clasificación como flip-flop, sin embargo presenta una característica de memoria que lo hace muy útil en algunas situaciones, como por ejemplo, la eliminación de ruido que se puede presentar en un circuito productor de una interferencia, una incorrecta eliminación del rizado de la fuente de alimentación o un rebote producido por un contracto electrónico como puede ser de un interruptor, un relevador, entre otros.

Este tipo de circuitos se encuentra diseñado para una señal que cambia con lentitud y produce una señal libre de oscilaciones, en general, la salida tendrá tiempos de transición breves que son independientes de la característica de la señal de entrada En la figura se muestra un circuito inversor con disparo tipo Schmitt y una gráfica que muestra la transición en su respuesta.

En la figura de arriba se puede notar que la forma de onda de salida cambia de bajo a alto hasta que la entrada rebasa el umbral de voltaje de ascenso, VT+. Una vez que la salida cambia permanecerá en ese estado aunque la entrada caiga por debajo de VT+ (esta es la característica de memoria), hasta que esta se encuentre por debajo del umbral de voltaje de descenso, VT- los valores de los dos umbrales de voltaje varían de una familia lógica a otra, sin embargo VT-, siempre será menor que VT+. Las compuertas tipo Schmitt emplean el símbolo mostrado en la figura para indicar que pueden responder de manera confiable ante señales que cambian con lentitud, este tipo de circuitos son empleados para convertir señales lentas en señales rápidas y libre de oscilaciones que puedan controlar las entradas de CI estándar. Existen en el mercado distintos circuitos con este tipo de entradas, se pueden mencionar los circuitos 7414, 74LS14 y 74HC14, estos circuitos están compuestos por seis inversores con este tipo de entradas. Los circuitos 7413, 74LS13 y 74HC13 contienen dos compuertas NAND con cuatro entradas de tipo Schmitt.

Otra aplicación de estos circuitos es como oscilados astable, El circuito es útil para generar señales de reloj para circuitos digitales síncronos, En la figura siguiente se muestra un oscilador astable formado por un inversor con disparo Schmitt.

La señal de salida es aproximadamente una onda cuadrada la cual depende de los valores de R y C. en la figura se muestra la relación entre la frecuencia y los valores de RC para tres diferentes inversores con disparo Schmitt. Se puede apreciar los límites máximos de las resistencias para cada dispositivo ya que el circuito no oscilara si no se encuentra por debajo de esos límites. A pesar de que en la figura no se muestra, el circuito integrado deberá ser alimentado con la tensión adecuada de acuerdo a la hoja de daos especificada por el fabricante. Un disparador Schmitt es también conocido como comparador con histéresis. Al igual que en circuitos digitales, el comportamiento de histéresis se encuentra en aplicaciones de circuitos analógicos, diseñados a partir de amplificadores operacionales. Detector de cruce por cero con histéresis como un elemento de memoria Existe una técnica estándar para mostrar el comportamiento de un comparador en una sola gráfica. Al graficar Ei (voltaje de entrada) en el eje horizontal y Vo(voltaje de salida) en el eje vertical, se obtiene la característica de voltaje de entrada-salida, como en la figura siguiente.

Para Ei menor que VLT, Vo = + VSAT. La línea vertical (a) muestra que V0 va desde *VSAT hasta –VSAT con forme Ei se vuelve mayor que VUT. La línea vertical (b) muestra V0 cambiando desde –VSAT hasta + VSAT cuando Ei se vuelve mayor que VLT. La diferencia de voltaje entre VUT y VLT se vuelve mayor que VUT, La línea vertical (b) muestra V0 cambiando desde –VSAT hasta + VSAT cuando Ei se vuelve mayor que VLT. La diferencia de voltaje entre VUT y VLT se denomina voltaje de histéresis, VH.

Siempre que un circuito cambia de estado a un segundo estado con cierta señal y después regresa del segundo al primer estado con otra señal de entrada diferente, se dice que el circuito exhibe histéresis. Para el comparador de retroalimentación positiva, la diferencia en las señales de entrada es VH = VUT – VLT.

Si el volteje de histéresis está diseñado para que sea mayor que el voltaje de ruido pico a pico, no habrá cruces falsos de salida. Por tanto, VH indica que tanto ruido pico a pico puede soportar el circuito. Detector no inversor de nivel de voltaje con histéresis. Los voltajes de umbral superior e inferior se pueden encontrar a partir de las siguientes ecuaciones:

VUT = Vref (1 + (1/n)) – (-VSAT / n)

VLT = Vref (1 + (1/n)) – (+VSAT/N) El voltaje de histéresis VH queda expresado por:

VH = VUT – VLT = (+VSAT – (-VSAT))/n