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Conmutación de cargas inductivas en electrodomésticos

Autores: Thomas Bolz, Corporate Produkt Manager Standard Products de Rutronik, y Tawade Prasad, Technisches Marketing de Littelfuse

Desde máquinas de café a frigoríficos: los triodos para corriente alterna (triacs) se utilizan como interruptores robustos y fáciles de operar en aplicaciones de corriente alterna (CA). Los triacs de alta conmutación, también conocidos como alternistors, han mejorado las propiedades de conmutación y pueden conmutar incluso cargas inductivas de manera silenciosa y asequible durante una larga vida de servicio. Los triacs forman parte de la familia de tiristores y pueden rendir con tensión positiva y negativa. Una vez disparados, permanecen en un estado conductivo sin ninguna otra señal de activación hasta que la corriente de carga cae por debajo de la corriente de retención. Cuando operan con tensión de CA, esto ocurre en el cruce por cero de la corriente, como muy tarde.

Su construcción puede ser vista como dos tiristores en antiparalelo aislados eléctricamente que comparten un electrodo de puerta, como se observa en la Figura 1. Las superficies de control de las áreas de alimentación de los dos tiristores se solapan. Existen dos métodos de controlar los triacs.

simbolos del circuito
Figura 1: Símbolos del circuito para un triac con terminal principal MT1 = Ánodo 1 y MT2 = Ánodo 2 y puerta. MT2 suele tener una conexión directa al encapsulado.

El control de ráfagas (burst) implica permitir que el interruptor conduzca durante una determinada cantidad de medios ciclos y, posteriormente, mantenerlo apagado durante unos pocos medios ciclos. Esto da como resultado una potencia promedio en la carga que depende de la relación de medias ondas de encendido y apagado. La Figura 2 representa esto para la ratio 2:1. La duración del período especificada por la red eléctrica sólo permite establecer relaciones de números enteros, lo que limita la cuantificación de la variable de salida. Para obtener un promedio cronológico útil, los períodos de encendido y apagado deben estar en el rango de varias medias ondas.

control de rafagas
Figura 2. Vista esquemática del control de ráfagas (burst).

Este burst control se utiliza para gestionar la potencia de los dispositivos eléctricos de tensión de CA. Las aplicaciones típicas incluyen calentadores de flujo y estufas eléctricas. Como la conmutación sólo tiene lugar en los cruces por cero, se evitan en gran medida los armónicos impares.

angulo de fase
Figura 3. Principio de control de ángulo de fase.

Con el control de ángulo de fase, el triac se activa un tiempo definido después del comienzo de cada medio ciclo. La Figura 3 muestra una vista esquemática del principio funcional. El valor medio se controla cíclicamente variando el tiempo, también conocido como ángulo de disparo, en el que se activa el triac. La libre elección del ángulo de disparo permite el ajuste analógico del valor medio de 0 a 100 por cien. La activación sencilla para, por ejemplo, un atenuador, se muestra en la Figura 4.

circuiteria
Figura 4: Circuitería de triac sencilla para control de fase

Silencioso y duradero: triac vs. relé

A diferencia de los relés electromecánicos, los triacs son relés de estado sólido, que proporcionan ciertas ventajas. Operan de forma silenciosa. Al no haber desgaste mecánico,  tienen una vida útil significativamente más larga que los relés. Así pues, al usar los triacs no se producen vibraciones ni arcos y chispas. Esto significa que también se pueden emplear en entornos potencialmente explosivos, donde las chispas de los relés están absolutamente prohibidas. Además, los triacs se pueden utilizar en el control de fase de una carga. Esto abre un amplio abanico de posibles usos en pequeños y grandes electrodomésticos. Desde máquinas de café a frigoríficos, los triacs controlan parámetros como temperaturas, intensidad luminosa y velocidad de motor.

El cambio de fase marca la diferencia

Los tiristores y los triacs se apagan cuando la corriente principal entre el ánodo y el cátodo cae por debajo de la corriente de retención. Al recombinar las cargas después del apagado, esta operación de conmutación genera lo que se conoce como una corriente de retorno. Sin embargo, si queda un exceso de carga en las áreas adyacentes de la puerta y si la tensión vuelve a subir después del cruce por cero, esto puede provocar el disparo del segundo tiristor en el triac.

A frecuencias de la red eléctrica de hasta unos 400 Hz y con una forma de onda sinusoidal, la conmutación no resulta un problema con una carga puramente óhmica, ya que la corriente y la tensión están en fase. Como se esperaba, la conmutación tiene lugar en el paso por cero de la corriente que, al mismo tiempo, es como el cruce por cero de la tensión, debido al ajuste de fase. La Figura 5 muestra las progresiones de corriente y tensión resultantes.

conmutacion con carga
Figura 5. Conmutación con carga puramente óhmica.

Si el triac se usa para controlar una carga inductiva donde se produce un cambio de fase entre la corriente y la tensión, surge la situación que se muestra en la Figura 6.

conmutacion con carga inductiva
Figura 6. Conmutación con carga inductiva.

Aquí, se produce un voltaje en los terminales principales del triac durante el cruce por cero actual. El cambio rápido de tensión dv/dt resultante podría disparar incorrectamente los triacs sensibles. Por lo tanto, los circuitos controlados por triac requieren un diseño muy cuidadoso.

Un parámetro importante a la hora de seleccionar el triac apropiado es la ratio de aumento de tensión permitida dVcom/dt. Si se supera, el componente no se apaga. Para asegurar el apagado, tanto la tasa de caída de corriente dIcom/dt durante el intervalo de conmutación como la subsecuente ratio de aumento de tensión dVcom/dt tras la operación de apagado deben limitarse. La ficha técnica de los triacs contiene la información de la tasa máxima permitida de la tensión de conmutación en función de la temperatura del componente y de la ratio de caída de la corriente de ánodo a la que el triac no se dispara.

Las redes de amortiguación evitan el disparo no deseado

Si un triac tiene que trabajar en un circuito de carga inductiva donde se espera una conmutación incorrecta, se suele conectar en paralelo al triac una red de amortiguación (snubber) RC o de descarga (Figura 7). Los amortiguadores aseguran que el triac no esté excesivamente cargado ni se active prematuramente por un aumento de tensión repentino, causado, por ejemplo, por picos en el suministro de la red eléctrica. Además, la tasa de aumento de corriente dI/dt puede limitarse mediante un inductor en serie, lo que significa que el triac no se dispara a pesar de los grandes cambios de voltaje.

conmutacion inductiva
Figura 7. Conmutación con carga inductiva.

Al elegir la red de amortiguadores adecuada, hay que prestar mucha atención a  la selección de cada componente. En este caso, los factores importantes son la inductancia de carga, la frecuencia de la alimentación de CA y la corriente efectiva de la carga. La resistencia del amortiguador debe ser lo suficientemente alta para impedir un exceso de tensión y limitar el pico de corriente de descarga del condensador que usa el triac en el límite dI/dt permitido para el interruptor. El condensador de amortiguador tiene que diseñarse para toda la tensión de CA del sistema de alimentación.

Sin embargo, una red de amortiguación paralela al triac incrementa la complejidad de la circuitería y puede provocar una pérdida de potencia adicional en el amortiguador.

Un método inteligente de asegurar un diseño “sencillo” de circuito es el uso de alternistors. Estos triacs de alta conmutación se diferencian de los modelos estándares en que tienen una  separación mejor de las dos “mitades de tiristor”, lo que se traduce en una mayor robustez de conmutación. Una dVcom/dt permitida superior también permite el control de las cargas inductivas sin necesidad de amortiguadores, mientras que una dIcom/dt permitida más elevada contribuye a mejorar la conmutación de corrientes con una frecuencia más alta o una forma no sinusoidal sin inductores adicionales para limitar la dI/dt.

Esto significa que: el uso de alternistors permite a los desarrolladores crear un diseño más sencillo, gracias a la disminución del número de componentes y los ahorros considerables en lo que se refiere a espacio en la tarjeta y costes de sistema.

Opciones para cargas altamente inductivas

Los alternistors de Littelfuse proporcionan una alta resistencia a la corriente de sobretensión de, al menos, diez veces su corriente nominal. Esto es importante en circuitos con una carga inductiva porque la corriente de entrada de un inductor es varias veces la corriente nominal. La ITSM límite de corriente de sobretensión es el valor de pico de una sobretensión en estado de conducción (onstate), en forma de media onda sinusoidal con una duración de 10 u 8,3 ms (50 o 60 Hz), que el triac puede soportar sin deteriorarse en caso de cortocircuito. Cuando el triac se carga con el límite de corriente de sobretensión, se produce un aumento de la temperatura de la capa de barrera durante un breve período de tiempo.

Littelfuse suministra alternistors en diferentes encapsulados robustos mecánica y térmicamente y en versiones aisladas y no aisladas. Los encapsulados discretos permiten la instalación con pinzas de muelle para reducir el trabajo. La tecnología clip bonding usada está muy extendida en la fabricación de módulos y componentes semiconductores de alto rendimiento y garantiza una excelente fiabilidad. Por ello, sustituye la habitual conexión wire bond entre el die y el cable con un puente de cobre sólido que ofrece una mayor resistencia al calor y una capacidad de conmutación ultrarrápida.

Las superficies de contacto de los clips de cobre son mucho más grandes que con wire bonds. Esto mejora las propiedades térmicas, ya que el calor se disipa desde la parte superior del clip hacia el marco de plomo de manera más eficiente, reduciendo así la temperatura máxima de la capa de barrera durante la operación y, por ende, aumentando la fiabilidad y la vida útil del triac. Todos los chips triac cuentan con capas de barrera de cristal pasivado para poder garantizar la fiabilidad a largo plazo y la estabilidad de los parámetros de los componentes.

Las paletas de enfriamiento están aisladas galvánicamente para una tensión de, al menos, 2500 VRMS y todos los componentes poseen el certificado UL (Ref. archivo E81734). Esto elimina la necesidad de utilizar e instalar aislantes separados, con los consecuentes ahorros en comparación con las paletas de enfriamiento en vivo. El uso de aislantes cerámicos contribuye a mejorar la disipación de calor y alargar la vida útil con respecto al aislamiento de epoxi.

En particular, se pueden destacar cuatro series de triacs alternistors, que sólo operan en los cuadrantes I, II y III (Figura 8). Dado que las aplicaciones típicas normalmente están conectadas a circuitos de CA, los triacs rinden en los cuadrantes I y III y, por lo tanto, se puede tolerar la pérdida del cuarto cuadrante de disparo.

triac alternistor
Figura 8. Cuadrantes de disparo de un triac alternistor.

La versión de 10 A (Qxx10Hx) se encuentra disponible aislada y no aislada en los encapsulados TO-220AB y en el encapsulado SMD TO-263 (D2Pak). La ITSM es 120 A (60 Hz).

La variante de 25 A (Qxx25xHx), por su parte, se presenta en las siguientes opciones de encapsulado: TO-220 aislado y no aislado; TO-218 y TO218X con diseño robusto y aislado y lengüetas de soldadura; y TO-263 SMD (D2Pak). La ITSM se sitúa en 250 A (60 Hz).

Los alternistors de alta temperatura de la serie QJ también son unos modelos a destacar: el QJxx16xHx es un triac de 16 A que está disponible en un encapsulado TO-220AB o encapsulados TO-220 y TO-263 aislados con una temperatura de capa de barrera de hasta  302 °F (150 °C) y una ITSM de 200 A (60 Hz). La versión de 25 A (QJxx25xHx) comparte encapsulados y añade los TO-218 y TO218X robustos y aislados con lengüetas de soldadura. Este triac tiene una temperatura de capa de barrera máxima de 302 °F (150 °C) y una ITSM de 250 A (60 Hz).

La serie QJ también ayuda a resolver problemas de sobrecalentamiento en aplicaciones de control de potencia de CA. Permiten una gestión térmica más fácil y ofrecen una alta resistencia a la corriente de sobretensión. Esto se traduce en elevadas corrientes de entrada en aplicaciones de calefacción y control de motores.

Resumen

Los triacs están especialmente indicados en aplicaciones de control de ángulo de fase y conmutación de tensión de CA, como calefacción, iluminación y control de velocidad de motor. Se puede usar dondequiera que la corriente salga de un enchufe – en máquinas de café, calentadores de flujo, radiadores por infrarrojos, pequeños electrodomésticos de cocina, herramientas eléctricas, controles de calefacción, relés semiconductores de CA, atenuadores y sistemas de control de velocidad del motor.