Conmutacion

ELECTRONICA DE POTENCIA TIRISTORES Circuitos de Apagado

Antonio Nachez A-4-32-2 ELECTRONICA IV

A-4.32.2

Electr贸nica IV

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Circuitos de Apagado

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INDICE

1.- Conmutación natural 2.- Conmutación forzada 3.- Métodos de apagado: Clasificación 4.- Clase A: Autoconmutado por carga resonante 5.- Clase B: Autoconmutado por medio de circuito L.C. auxiliar 6.- Clase C: Conmutación mediante C o LC transfiriendo la corriente a otro tiristor 7.- Clase D: Conmutación mediante C o LC utilizando un SCR auxiliar 7.1.- Circuito D.1 7.2.- Circuito D.2 7.3.- Circuito D.3 8.- Clase E: Conmutación mediante una fuente de pulsos externa 9.- Clase F: Conmutación por la corriente alterna de alimentación

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SCR - Métodos de apagado

Un tiristor es un dispositivo semicontrolado. Si el mismo se encuentra sometido a una tensión ánodo cátodo positiva, éste permanece en la condición de corte bloqueando la tensión aplicada hasta que se lo lleve a conducción. Conducción que es producida por la aplicación de una señal eléctrica adecuada a su terminal de disparo denominado terminal de compuerta o de “gate”. Una vez en el estado de conducción, el terminal de compuerta pierde sus posibilidades de control, (exceptuando a los GTO), pudiendo el tiristor retornar a la condición de corte, solo si la corriente ánodo cátodo decrece por debajo de el nivel fijado por la corriente de mantenimiento IH. El procedimiento de apagado de un tiristor consiste en consecuencia el permitir que el tiristor recupere su capacidad de bloqueo de tensiones directas mediante técnicas que aseguren que su corriente decrezca por debajo de IH. Estas técnicas pueden aprovechar el funcionamiento normal del circuito de aplicación o bien utilizar circuitos resonantes LC o RLC subamortiguados, para forzar la corriente del triristor a cero, cortando en consecuencia al dispositivo.

El estudio de las distintas técnicas de conmutación permite analizar las formas de onda de tensión y corriente presentes en cada una de ellas. En general podemos dividir estas técnicas en dos grandes grupos: • •

De conmutación natural De conmutación forzada

1.- Conmutación natural.

Si la tensión de alimentación es del tipo de corriente alterna, la corriente en el tiristor pasará naturalmente por cero en un momento de su operación, y una tensión inversa será aplicada entre sus terminales de ánodo y cátodo.

El tiristor es en consecuencia apagado por la operación normal del circuito. En este tipo de circuitos el tiristor es disparado en cada semiciclo positivo para controlar la entrega de energía a la carga. El control de potencia podrá ser realizado por control de fase, disparando al tiristor en todos los semiciclos positivos y modificando el ángulo de disparo, o bien actuando sobre el número de semiciclos positivos en los cual el tiristor es disparado y realizando siempre su disparo al inicio de cada semiciclo con ángulo de disparo cero.

Los circuitos alimentados con tensión alterna son el ejemplo típico de conmutación natural, pero existe otros circuitos, donde la naturaleza oscilante de la carga hace que la corriente pueda anularse, aún con alimentación de continua

2.- Conmutación forzada.

En algunas aplicaciones con tiristores, la tensión de alimentación es continua por lo que la corriente ánodo cátodo del tiristor debe ser forzada a cero para su apagado. En operación a muy baja frecuencia podría recurrirse a llaves mecánicas, pero éstas además de su bajo rendimiento presentan el inconveniente adicional de someter al SCR a elevados valores de dv/dt al cerrar la llave de la figura 1.1 en el circuito (a) y al abrirla en el circuito (b).

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S

+ - E

Rl

+ - E

Rl

S

( b)

(a)

Figura 2.1 (a) y (b) Es en consecuencia de uso corriente incluir un circuito adicional que fuerce la conmutación del tiristor del estado de conducción al de corte.

3.- Métodos de apagado: Clasificación.

Distintos métodos de apagado se utilizan en distintos circuitos del tipo “Convertidores” e “Inversores” tales como Rectificadores Inversores Convertidores Convertidor DC Cicloconvertidor Cicloinversores Chopper

AC – DC DC – AC AC – AC DC – DC AC @ f1 – AC @ f2 con f2 < f1 Combinación de Inversor y Cicloconvertidor DC – DC o DC – AC por conmutación de la corriente de carga

Los distintos métodos de conmutación suelen ser clasificados en seis categorías, correspondiendo el primero y el último de los seis tipos, a conmutación natural y a conmutación forzada losl restantes: Clase A Clase B Clase C Clase D Clase E Clase F

Autoconmutada por carga resonante La carga forma parte del circuito resonante RLC Autoconmutado por medio de circuito resonante LC adicional La carga no forma parte del circuito resonante Conmutado por medio de C o LC, transfiriendo la carga a otro SCR. Transfiere la corriente de carga Conmutación por medio de C o LC utilizando un SCR auxiliar Sin transferir la corriente de carga Conmutado mediante una fuente de pulsos externa Conmutado por la corriente alterna de alimentación

La clasificación presentada se ajusta en general a la utilizada en la bibliografía sobre este tema en cuanto a las formas de funcionamiento, aunque las denominaciones puedan diferir según los distintos autores.

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4.- Clase A: Autoconmutado por carga resonante En este tipo de conmutación, el tiristor es apagado debido al comportamiento natural del circuito controlado. La propia carga forma parte del circuito resonante, fijando así la frecuencia máxima de operación y las formas de onda.

En la figura 4.1a se ha representado al circuito con carga en paralelo, y en 4.1-b con carga en serie. En este último circuito se ha agregado la reistencia auxiliar Ra para eliminar la enrgía almacenada en la capacidad C al cortarse el tiristor

IA

Ls +

Lp -

E

E

Cs

+

Cp -

R Lp

R Ls

Ra

Figuras 4.1 (a) y (b) Considerando que C se encuentra descargado al aplicarse el pulso de disparo y que tc>toff, en la figura 4.2 se encuentran dibujadas las formas de onda correspondientes al circuito paralelo idealizado con una resistencia de carga RLp elevada, por lo que el comportamiento del circuito es preponderadamente LC. Al encender el tiristor, queda formado un circuito resonante amortiguado. Para facilitar las expresiones se supone que RLP es alta o que RLS es baja.

Siendo la alimentación E constante, el circuito oscilante da origen a una corriente senoidal (iA) la cual al llegar a π tiende a invertirse, cortándose la conducción del tiristor. El capacitor en este instante tiene una tensión de 2E y el tiristor queda en consecuencia con una tensión de –E. Este circuito requiere para un correcto funcionamiento que el capacitor se descargue completamente, debiendo esperarse hasta T para poder encender nuevamente el tiristor.

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8 Ig

t Vcp = V rp

2E

τ = RC

E (1-coswt)

t IA / Vlp Vlp

IA

di/dt

toff < tc

t

VAH E dv/dt tc

t

-E

Figura 4.2: Formas de ondas correspondientes a una operación LC -circuito paralelo con RLP alta, o circuito serie con RLS baja-

Bajo la simplificación de considerar un circuito LC, la siguiente ecuación fija la corriente en el circuito

1 C L C  E E  CSE / s E/s CE LC L C L = I(s) = = = = 2 1  LCs + 1 1 1 1 R + LS + LC(s2 + ) L(s 2 + ) (s 2 + ) Cs  LC LC LC

(

)

Ecuación (1)

Antitransformando: Circuitos de Apagado

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C senwot L 1 donde W 0= LC i( t ) = E

(2) (3)

entonces en el condensador:

Vc(s) =

1 I(s) Cs

(4)

1 C t    1 1 C Vc (t) = ∫ot i(t)dt =  E (− coswot ) 1  ot − ∫o senwot dt = E C L C  W0   C L => Vc( t ) = E (1 − cos w o t )

(5)

Luego para W ot = π resulta:

i(t)=0 VC(t)=2E En las gráficas anteriores se han indicado los momentos donde se producen los máximos valores de di/dt y dv/dt en el circuito, cuyos valores deben ser inferiores a los máximos permitidos.

Adicionalmente se ha indicado como tc, el tiempo que el tiristor permanece con tensión negativa luego de cortarse Para que al verse nuevamente sometido a tensión directa el tiristor pueda bloquearla, tc debe ser mayor que el tiempo de apagadoTOFF

Emulación

Se incluye a continuación la emulación del circuito realizada con Micro-Cap 9. Se presenta el circuito emulado con la numeración de sus nodos, y las correspondientes formas de onda producidas por un disparo a los dos milisegundos, alimentado por una tensión de Vcc = 100V y los restantes componentes con los valores indicados.

La primer gráfica representa a la tensión del nodo cinco, que se corresponde con la tensión en el condensador C2. Puede apreciarse la variación cosenoidal durante la conducción del tiristor, y luego su descarga exponencial.

La segunda gráfica corresponde a la evolución de la corriente por la inductancia L1, la que coincide con la del tiristor, y presenta una evolución igual a un semiciclo de una senoide.

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10 La tercer gráfica muestra la evolución de la tensión ánodo cátodo del tiristor X1.

Soporta la tensión directa de la fuente hasta que se lo dispara. Entra en conducción durante el tiempo que dura el semiciclo senoidal de la corriente de ánodo. Al apagarse, bloquea la tensión inversa resultante de la carga del condensador y de la fuente. Tensión ánodo cátodo que pasa a evolucionar exponencialmente al valor de Vcc, siguiendo la descarga del condensador.

Para una mejor visualización de las formas de onda, se ha incluido una segunda gráfica, con las tres mismas formas de onda, pero ampliadas.

Puede observarse que no hay control sobre el tiempo de encendido del tiristor, el que depende exclusivamente de los valores de L y C de la carga.

Circuito Emulado

Formas de Onda

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Pueden observarse que las gráficas del menos coseno y del seno presentan algunas deformaciones, éstas se deben al cálculo realizado por el programa emulador, donde los puntos calculados se unen con líneas rectas.

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5.- Clase B: Autoconmutado por medio de circuito L.C. auxiliar

ILC

+ C

+ E

IA

L

RL IR

Figura 5.1: Circuito de apagado Clase B La figura 5.1 muestra uno de los circuitos de apagado clase B, y la figura 5.2, las ondas de tensiones y corrientes correspondientes. Existe una variante de este circuito que emplea un Reactor Saturable como inductancia variable.

Del circuito de la figura anterior puede observarse que la carga es independiente y no forma parte del circuito auxiliar resonante LC utilizado para el apagado del tiristor.

Antes del disparo, con el SCR cortado, el condensador C se carga a la tensión de alimentación E. En to se aplica el pulso de disparo Ig, el tiristor se enciende y se establece en la carga la corriente IR = E/RL. Además, al conducir el tiristor, quedan C y L formando un circuito oscilante prácticamente ideal, estableciéndose la corriente senoidal iLC que circula por el tiristor y cuyo semiciclo se cumple en t1. En consecuencia la corriente total por el SCR es IA = IR + ILC, corriente senoidal que pasa por cero en tA en que se apaga, por haberse anulado la corriente que por él circulaba.

El tiempo de conducción del tiristor (to a tA) queda fijado por el circuito LC. El semiciclo siguiente de esta corriente iLC es el que apaga al tiristor. Para ello es condición necesaria que:

ILC max > IR

VEc VE > L RL C

L < RL C

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13 A su vez, debido a esta misma desigualdad, al apagarse el tiristor, el circuito queda transformado en un circuito serie RLC sobreamortiguado. En ese momento, en bornes del tiristor aparece la tensi贸n que tiene el condensador compuesta con la de la inductancia. Esta tensi贸n compuesta tiende a E ya que la tensi贸n en la inductancia tiende a cero r谩pidamente por ser la corriente muy amortiguada.

Ig

t IR E/RL

t VC/ILC/VL E

Vc

ILC

VL

t

IA E/RL

t VAK E

E t0

t1

ta

t

Figura 5.2: Formas de ondas del circuito clase B

Circuitos de Apagado

14 En este circuito, por controlar una carga resistiva, la di/dt en el momento de establecerse la conducción tiende a infinito. Si la inductancia propia del circuito de carga es insuficiente para limitarla, se debe incorporar una inductancia en serie con la alimentación para limitarla a un valor permitido. También debe controlarse que la dv/dtcuando la tensión ánodo cátodo se hace positiva sea inferior al valor máximo y que se respete el TOFF

Emulación

Se incluye a continuación la emulación del circuito realizada con Micro-Cap 9. Se presenta el circuito emulado con la numeración de sus nodos, y las correspondientes formas de onda producidas por un disparo a los dos milisegundos, alimentado por una tensión de Vcc = 100V y los restantes componentes con los valores indicados.

La primera gráfica incluye las corrientes por la carga y la del circuito auxiliar LC. Puede apreciarse que la corriente en la carga se mantiene estable en el valor fijado por la fuente Vcc y la resistencia de carga R4 hasta que el tiristor se apaga. Para lo cual la corriente neta en el tiristor debe anularse, lo que ocurre cuando la corriente ILC, es negativa.. Luego del apagado del tiristor, puede observarse la extinción, tanto de a corriente de carga como en la de ILC, según el comportamiento sobreamortiguado del circuito.

La segunda gráfica muestra la evolución de la tensión ánodo cátodo del tiristor X1.

Soporta la tensión directa de la fuente hasta que se lo dispara. Entra en conducción durante el tiempo que dura la corriente en el tiristor Al apagarse, la tensión se comporta según el comportamiento sobreamortiguado del circuito, hasta alcanzar nuevamente la tensión de bloqueo directa de Vcc. Las tercera y cuarta gráficas corresponden a las evoluciones de las corriente por el capacitor C3 y a la inductancia L2. Dada la forma senoidal de la corriente, ambas son cosenoidales, de igual valor y signo opuesto durante la conducción del tiristor y se extinguen según el comportamiento sobreamortiguado del circuito.

Puede observarse que el control sobre el tiempo de encendido del tiristor, depende de los valores de L y C del circuito auxiliar de apagado y de la corriente de carga.

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15 Circuito Emulado

Formas de Onda

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6.- Clase C: Conmutación mediante C o LC transfiriendo la corriente a otro tiristor La figura 6-1 muestra un circuito de apagado clase C, y la figura 6.2, las ondas de tensiones y corrientes correspondientes.

IRL

RL

R1=RL C

+ E

-

+

Ti1

Ti2

IA1

Figura 6.1: Circuito de conmutación clase C a condensador.

En la operación del presente circuito se realizan las siguientes consideraciones: Las resistencias de ánodo de los dos SCRs son iguales, RL = R1 por lo que ambos tiristores son de igual capacidad.

•

Los SCRs Ti1 y Ti2 se encienden en forma alternada mediante los pulsos de disparo Ig1 e Ig2.

•

• Durante la conducción de los SCRs, éstos conducen la corriente constante correspondiente a su resistencia de ánodo, mas la corriente exponencial de carga del condensador de conmutación C, con un τ = RC. • En funcionamiento permanente, el condensador debe variar su tensión entre -E y +E, por lo que la corriente en los tiristores presenta un pico de IA = 3E / RL. El primer período es diferente debido a que se considera que antes de aplicarse el primer pulso de disparo Ig, el condensador de conmutación se encuentra inicialmente descargado.

Al encenderse el SCR que se encontraba cortado, queda aplicada sobre el que se encontraba previamente conduciendo la tensión –E almacenada en el capacitor C. Como esta tensión es negativa, la corriente de ánodo disminuye por debajo de IH y el tiristor se corta.

•

• Antes de aplicar un nuevo pulso de disparo, la capacidad C debe cargarse completamente a la tensión E por lo que la frecuencia de operación depende de la carga a través de la constante de tiempo τ = RLC

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17 El tiempo de conducción no depende del circuito de apagado como en las configuraciones Clases A y B. El tiempo de conducción del tiristor Ti1 se extiende hasta que se enciende el Ti2. ,es decir que este tiempo puede ser controlado a voluntad.

•

Ig1/Ig2 Ig1

Ig1

Ig2

Ig2

t IRL

2E/RL E/RL

τ = CRL

t IA1

3E/RL 2E/RL E/RL

E/RL

t VAK1

E

t VAK2

-E E

t Vc

-E E τ = R1C

t τ = RLC -E 1er semiperiodo

2do semiperiodo

Arranque

Func. Permanente

Figura 6.2 Formas de ondas del circuito clase C.

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Emulación

Se incluye a continuación la emulación del circuito realizada con Micro-Cap 9. Se presenta el circuito emulado con la numeración de sus nodos, una tensión de alimentación de Vcc = 100V y los restantes componentes con los valores indicados.

Las formas de onda se corresponden con las producidas por un primer disparo a los dos milisegundos, seguidos con disparos alternados a los tiristores cada 10 milisegundos.

Se incluyen dos gráficas. La primera presenta las formas de onda de las corrientes en las dos resistencias de carga y de ánodo de los dos tiristores.

La segunda, incluye las tensiones ánodo cátodo de los dos tiristores y finalmente la forma de onda de la tensión sobre el capacitor C3.

Puede observarse que en este circuito se tiene control sobre los tiempos de conducción de los tiristores, mediante el control del momento de encendido, pero por su forma de operación, la fuente siempre entrega potencia, ya sea a una u otra de las resistencias de carga.

Circuito Emulado

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19 Formas de Onda

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7.- Clase D: Conmutación mediante C o LC utilizando un SCR auxiliar 7.1.- Circuito D.1 El anterior circuito clase C se convierte en clase D si la resistencia R1 es mayor que RL, de manera que en Ti2 pueda utilizarse un tiristor auxiliar con una corriente de ánodo menor que la de carga. Debe considerarse que el Ti2, además de la corriente determinada por R1 debe poder también soportar los picos repetitivos de corriente determinados por la carga del condensador de conmutación C a través de la resistencia de carga RL .

El principal inconveniente que presenta esta configuración es que al aumentarse R1, el τ = C.R1 será mayor que en el caso anterior y consecuentemente limita la frecuencia de trabajo del circuito.

7.2.- Circuito D.2 En la figura 7.1 se encuentra graficado otro circuito de apagado Clase D, donde además de un tiristor auxiliar se utiliza un circuito combinado con L y C. La figura 7.2 contiene las gráficas de las formas de onda correspondientes a ese circuito.

+ C -

T i1 Ic

IA1

T i2

+ E

L

IA2 D

-

IRL

RL

Figura 7.1: Clase D. Circuito combinado con C y L. En el circuito de la figura 7.1, es necesario fijar las condiciones iniciales de carga del condensador C, mediante el encendiendo en primer lugar que del tiristor Ti2. Luego de encendido, este tiristor se apaga solo por la disminución de su corriente por debajo de IH, por tener al condensador C en serie.

Al encender el Ti1, la tensión de C queda aplicada al Ti2 con su ánodo negativo respecto al cátodo, cortándolo. La conducción de Ti1 y la tensión en C da origen a un semiciclo del circuito oscilante LC, quedando cargado el condensador a igual tensión con signo opuesto al que tenía previamente.

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21 Esta inversiรณn de la tensiรณn en C permite que al encender nuevamente el Ti2, la carga del C tenga la polaridad adecuada para apagar al tiristor Ti1.

Cabe destacar la similitud de este circuito con los correspondientes a Clase B. La diferencia estiba en que a pesar de ser un circuito oscilante LC, la presencia del tiristor auxiliar Ti2 permite controlar el tiempo de conducciรณn del tiristor principal. Esta misma consideraciรณn vale para los circuitos Clase D.3.

Ig1/Ig2 Ig1

Ig1

Ig2

IRL

2E/RL E/RL

IA1

VAK1

VAK2

dv/dt

dv/dt E

-E

IA2

Vc

E ฯ = RLC

-E

Ic

Figura 7.2: Formas de ondas del circuito Clase D de figura 7.1.

Circuitos de Apagado

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Emulación

Se incluye a continuación la emulación del circuito realizada con Micro-Cap 9. Se presenta el circuito emulado con la numeración de sus nodos, una tensión de alimentación de Vcc = 100V y los restantes componentes con los valores indicados.

Las formas de onda se corresponden con las producidas por un primer disparo en el origen del tiristor auxiliar, seguido por un disparo del tiristor principal a los 25 milisegundos, y luego continuando con disparos alternados a los tiristores en intervalos de 50 milisegundos.

Se incluyen dos gráficas. La primera presenta, desde arriba hacia abajo, las formas de onda de las corrientes en la resistencia de carga y la de ánodo del tiristor principal y len la parte inferior a tensión ánodo cátodo del mismo.

La segunda, incluye cuatro formas de onda. Las dos superiores a la tensión ánodo cátodo y corriente del tiristor auxiliar. Las dos inferiores a la tensión y corriente en el capacitor C1 del circuito auxiliar de apagado. En la tensión del capacitor puede apreciarse su variación cosenoidal en uno de sus flacos y exponencial en el otro. La forma cosenoidal se reproduce en la tensión ánodo cátodo del tiristor auxiliar.

Análogamente, la forma de la corriente por el capacitor es senoidal en uno de los casos y exponencial en el otro.

Puede observarse que en este circuito se tiene control sobre el tiempo de conducción del tiristor principal, iniciando su conducción mediante un disparo por compuerta, y provocando su apagado mediante el disparo del tiristor auxilias

Circuito Emulado

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23 Formas de Onda

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24 7.3.- Circuito D.3 El circuito representado en la figura 7.3 presenta la ventaja de no requerir una secuencia de encendido. Al encenderse Ti1 circula la corriente de carga por L1 y RL .

Dada las homologías indicadas en los dos arrollamientos, la circulación de la corriente de carga origina la circulación de una corriente por la malla compuesta por L2, el diodo, C y Ti1 que carga al condensador con la polaridad indicada en la figura.

El disparo de Ti2 apaga a Ti1 por contratensión, y posteriormente también se corta Ti2 por falta de corriente cuando C termina de cargarse.

Un nuevo disparo de Ti1 establece entre L2 y C el circuito oscilante, que debido al diodo D, queda reducido a un semiciclo.

Ti1

-

C

+

Ti2

D

+ E -

* L2

*

L1

RL

Figura 7.3: Clase D. Circuito Chopper de Jones.

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8.- Clase E: Conmutación mediante una fuente de pulsos externa Una forma básica con una fuente auxiliar Ea y un transistor Q1 en paralelo con el SCR se indica en la figura 8.1. El transistor Q1 trabaja cortado, y luego al recibir un pulso que controle su base, quede en saturación y aplica una tensión inversa al SCR. El transistor debe poder conducir una corriente superior a la de carga, durante el tiempo de apagado del Ti. En consecuencia, el pulso de control será de una duración mayor al toff del Ti.

-

Ti

Ea +

+ E Q1

-

Rl

Figura 8.1 Otro circuito de apagado Clase E puede conformarse con el secundario de un transformador en serie con el SCR, tal como se indica en la figura 8.2.

Al aplicar un pulso de tensión al primario, la tensión inducida en el secundario, tiene que ser suficiente para anular la corriente por el tiristor.

Ti

+

C E

-

n2

n1

RL

Figura 8.2

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26 El apagado del tiristor puede tambi茅n ser realizado por la aplicaci贸n de un pulso sobre una inductancia, proveniente de un condensador. En la figura 8.3 se encuentra un circuito correspondiente a esta operaci贸n y en la figura 8.4 sus formas de onda.

L1

RL IA1

T i1

T i2

+ -

E IA2 2E

L2

+ C

-

Figura 8.3: Clase E- Apagado por aplicaci贸n de un pulso sobre una inductancia, proveniente de un condensador.

Ig

Ig1

Ig1

Ig2

t IA1 = IRL

E/RL

di/dt

t VAK1

dv/dt

t

IA2 t VAK2

2E dv/dt

t

Vc t L2C

L1C

Figura 8.4: Formas de ondas del circuito clase E de figura 8-3.

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9.- Clase F: Conmutación por la corriente alterna de alimentación (de línea) Son los circuitos de conmutación natural ya vistos, en por ejemplo, aplicaciones de rectificación, alimentados con corriente alterna.

Una vez encendido, la corriente circula por el tiristor mientras tenga un valor superior a la corriente de mantenimiento. Al quedar la corriente reducida a un valor inferior a este umbral, el tiristor se apaga sin necesidad de circuitos adicionales.

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