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ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ELECTIVA III
CONVERTIDORES MONOFÁSICOS DE ALTERNA A ALTERNA
ING. ROBERTO GIBBONS
A-5.36.1
Electrónica de Potencia
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CONVERTIDORES MONOFASICOS DE ALTERNA A ALTERNA
CONEXIÓN ANTIPARALELO
INDICE
1-
FUNCIONAMIENTO COMO INTERRUPTOR
1-1
1-2
1-3
FUNDAMENTOS
ELEMENTOS PARA LA CONEXIÓN ANTIPARALELO.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
2-
FUNCIONAMIENTO COMO REGULADOR
2-1
2-2
2-3
2-3-1
FUNDAMENTO
FUNCIONAMIENTO CON CARGA RESISTIVA
FUNCIONAMIENTO CON CARGA R.L.
FUNCIONAMIENTO CON θ1 INFERIOR A φ Y PULSOS DE LARGA
DURACIÓN
2-3-2- FUNCIONAMINETO CON θ1 INFERIOR A φ Y PULSOS DE CORTA
DURACION
2-3-3 FUNCIONAMIENTO CON θ1 MAYOR QUE φ
3APLICACIÓN A UNA MAQUINA DE SOLDAR
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Electiva III
Electrónica de Potencia
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CONVERTIDORES MONOFASICOS DE ALTERNA A ALTERNA
CONEXIÓN ANTIPARALELO - INTRODUCCÓN
La disposición de dos tiristores en conexión antiparalelo (fig. 1) brinda la posibilidad de
controlar la energía proveniente de una fuente de tensión alterna y que es entregada a una
carga también de alterna sin que se modifique la frecuencia de la red de alimentación.
Se pueden distinguir dos casos netamente diferentes de funcionamiento, acorde con la
aplicación; como “interruptor” propiamente dicho y como “regulador” de la corriente que
llega a la carga.
En ambos casos el circuito funciona con uno de los tiristores en conducción permaneciendo el
otro cortado y con polarización inversa, debido a la caída de tensión directa del que se
encuentra en conducción, o, con los dos cortados.
El tiristor que conduce, lo hará hasta que la corriente por él tome un valor por debajo de la
corriente de mantenimiento, en cuyo momento el otro tiristor estará en condiciones de
conducir a partir de que la tensión en el ánodo sea positiva y suficiente para hacer circular una
corriente mayor a la de mantenimiento.. Es precisamente esta condición que hace que el
circuito de control para el encendido de los tiristores, deba cumplir ciertas exigencias con
respecto al pulso de encendido.
Figura 1
Figura 2
1-FUNCIONAMIENTO COMO INTERRUPTOR
1-1 Fundamentos
En este caso la función de los tiristores es controlar el tiempo o número de ciclos que la carga
debe permanecer conectada a la red, sin recortar la onda de tensión de alimentación,
estableciéndose durante el tiempo de conducción un funcionamiento en régimen estable de
tensión y corriente oficiando el par de tiristores como un verdadero interruptor cerrado.
De esta manera la carga es conectada y desconectada con suficiente precisión acorde a un
programa o control prefijado que actúa sobre el circuito de encendido de los tiristores. Este
tipo de funcionamiento se aplica a diversas situaciones donde la carga tiene una componente
inductiva y se requiere que no haya transistorios de corriente como veremos durante el
desarrollo del tema.
Una aplicación fundamental de esta forma de operación es en SOLDADURA POR
RESISTENCIA O POR PUNTOS, (Fig. 2).
La energía activa es la que se transforma en calor produciendo la fusión de los metales a
soldar, ubicados entre los dos electrodos de la máquina.
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Figura 3
La corriente se encuentra desfasada en un ángulo φ en atraso con respecto a la tensión (fig.3)
debido a la inductancia del circuito: la cual está compuesta fundamentalmente por la suma de
la inductancia de dispersión del transformador y la inductancia que presenta el lazo del
circuito secundario que puede variar según los elementos a soldar.
La corriente resulta in-interrumpida, gracias a que los pulsos de encendido son de larga
duración. En efecto, aplicado el pulso, mantiene activado la compuerta a la espera de que se
produzcan las condiciones para que el tiristor conduzca, lo que tendrá lugar luego de que la
corriente del otro tiristor se haga cero.
En la fig. 3, el encendido del tiristor T2 se produce un instante luego de θ2, cuando la
corriente i1 se hace cero y comienza a circular i2 como continuación de aquella.
Esta conducción se establece sin dificultad, pues la compuerta del tiristor T2 se encontraba
activado con el pulso iG2
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De esta manera, el ángulo θ1 de encendido de los tiristores resulta siempre coincidente con los
posibles ángulos φ de desfasaje entre corriente y tensión, establecidos por la carga en sus
diferentes formas de trabajo; acorde a las exigencias requeridas por el material a soldar.
Cabe mencionar que la fig. 3 muestra a la corriente de carga en régimen permanente, es decir,
después de haber transcurrido los primeros ciclos en que tiene lugar el régimen transitorio.
En esta aplicación, es fundamental el uso de tiristores, dado que las exigencias de las
soldaduras de punto en lo que a tiempos se refiere es la siguiente.
El tiempo de aplicación de la corriente es de pocos segundos, pero en la mayoría de los casos,
la soldadura se hace aplicando la corriente en forma discontinua, por ejm. un caso puede ser 5
ciclos de la frecuencia de línea, 4 ciclos apagados, 5 ciclos nuevamente y así sucesivamente
cuatro, cinco o seis veces. Es obvio que un contactor mecánico no pude responder a este
régimen. Por una parte por el envejecimiento prematuro, por otra parte los tiempos no son tan
exactos y no es posible sincronizar la conmutación del contactor con el comienzo de cada
ciclo de la corriente.
Cabe destacar que las soldaduras para controlarlas, hay que efectuar un ensayo destructivo de
la pieza, por lo tanto la única forma de asegurar la calidad es de que todos los parámetros que
influyen en la soldadura sean repetibles en cada una.
De esta manera, efectuando un ensayo cada una cierta cantidad de soldaduras, si estas resultan
satisfactorias, podemos decir que las intermedias también cumplen con las exigencias.
Otra aplicación es en equipos de Rayos X medicinales. En estos últimos años, las técnicas
radiográficas han evolucionado y una de las exigencias es de obtener placas radiográficas en
tiempos muy cortos, del orden de los pocos ciclos, ( 20 a 100 mseg. aprox).
Un contactor mecánico, además de no contar con la repetibilidad necesaria, el hecho que
conmute en cualquier parte del ciclo hace que el transitorio de inicio, produzca tensiones en el
secundario distintas para cada posición del arranque y por lo tanto distintas tensiones en cada
disparo. La variación de la tensión en las técnicas de Rayos X es muy importante en la calidad
radiográfica. Se debe tener en cuenta que repetir una placa radiográfica significa "radiar" al
paciente dos veces con "radiaciones ionizantes". Estas radiaciones pueden producir
alteraciones en el ADN y derivar en tumores malignos.
1-2 Elementos para la conexión antiparalelo.
La conexión antiparalelo destinada a las máquinas de soldar, puede implementarse con
tiristores; con válvulas ignitrones; ó bien con un elemento especialmente fabricado, que
compite comercialmente con las ignitrones; compuesto de dos tiristones diseñados para
soportar grandes pulsos de corriente.
Este par de tiristores viene en una única cápsula con la correspondiente disipación a aire ó
agua. En este último caso, el conjunto recibe el nombre de IGNISTOR. Estos elementos se
estudian en capítulo aparte.
1-3 Ventajas e inconvenientes
La conexión antiparalelo en estas aplicaciones recibe el nombre también de “interruptor
estático” y sus ventajas sobre cualquiera de los interruptores mecánicos o electromecánicos
son evidentes cuando el número de operaciones diarias es elevado y los tiempos requeridos
para la conexión ó desconexión son breves.
Las principales ventajas son:
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No existe tableteo ó rebote de los contactos.
La “conexión” se establece en el instante mismo en que el circuito de control lo
ordena con su pulso de encendido.
- La desconexión puede lograrse con elevada precisión, siempre que se trate de ciclos
enteros, recordar que los tiristores se apagan por falta de corriente , o sea que nunca se
podrán apagar en otra parte del ciclo que no sea el fin de este, excepto que se usen
disposiciones especiales de apagado que no corresponden a este tema. La desconexión
se produce para el instante en que la corriente es nula evitando así las sobre-tensiones,
dado que la energía inductiva en la carga es cero en ese instante.
- Debido a que los tiempos de encendido y apagado de estos elementos son muy
pequeños comparados con la frecuencia industrial de 50 ciclos, esta conexión puede
emplearse para operar a frecuencias más elevadas. Recordar que los órdenes de
magnitud de encendido y apagado de llos tiristores es de 1 y 10 µ seg
Las desventajas principales son:
- Las sobrecargas se encuentran determinadas de acuerdo al régimen de trabajo y en
consecuencia limitadas por problemas de disipación en mayor grado que en los
interruptores electromecánicos.
- Como interruptor, su caída de tensión de contacto es muy elevada:
Para un interruptor mecánico, es del orden de los milivoltios; para los tiristores o
ignistores a altas corrientes, puede estar entre 2 y 4 V y para los ignitrones alcanza los 25
V.
Sin embargo las exigencias requeridas por las máquinas de solar, solos pueden ser
satisfechas por estos "interruptores estáticos”, y las desventajas de la disipación son
ampliamente superadas por los beneficios de la precisión en los tiempos de control.
Cabe mencionar que para otras aplicaciones, como se ha visto en el capítulo de
“TIRISTORES”, para cargas muy pequeñas, el funcionamiento del circuito puede lograse
mediante un Triac. Cabe destacar que en los Triac , las corrientes máximas de trabajo
están en el orden de pocas decenas de Amp.
2- FUNCIONAMIENTO COMO REGULADOR
2-1 Fundamento
En este caso, el circuito de la fig. 1 está destinado a regular el valor de la corriente eficaz I
que debe suministrarse a la carga. Esto se logra desfasando las señales de encendido,
retrasándolas convenientemente. La corriente dejará de ser in-interrumpida para
convertirse en pulsante cuya forma de onda dependerá de la relación entre resistencia e
inductancia de la carga, disminuyendo su valor a medida que se haga mayor el retraso con
que se encienden los tiristores. Los elementos que satisfacen este modo de funcionamiento
son los mismos que se mencionaron para el caso de operación como interruptor, siendo no
obstante, los tiristores los que se emplean en prácticamente todos los casos; salvo en
aplicaciones de muy pequeña potencia donde suelen emplearse triac.
Se analizan a continuación los circuitos con carga resistiva y luego el caso con carga
resistiva-inductiva con distintas relaciones R-L.
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2-2 FUNCIONAMIENTO CON CARGA RESISTIVA
La Carga del circuito de la fig. 1 está formada por resistencias y encuentra aplicaciones en
tratamientos térmicos; calefacción; distintos tipos de hornos a resistencias; etc.
Para este tipo de carga, la conexión antiparalelo de tiristores (o triac) presenta la
regulación tradicional por variación del ángulo θ1 de encendido (fig. 4) para cada tiristor.
La forma de onda de tensión y corriente aplicada a la carga coinciden y salvo aplicaciones
de muy baja corriente, el ángulo de apagado θ2 puede tomarse coincidente con φ y
despreciarse la pequeña caída de tensión directa en el tiristor que conduce.
Las ecuaciones correspondientes al circuito son:
Em.senwt
R
i=0
i=
(1)
para θ1 < ωt < π ; θ1+π < ωt < 2π
durante el resto del período
El valor eficaz de la corriente es:
I=
1
2π
θ2
2 Em 2 .sen 2ωtdωt
∫
R2
θ1
(2)
tomando θ2 = π y resolviendo se obtiene:
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I =
Página - 6 Em 2 ωt 2ωt
−
R 2 2π 4π
π
=
θ1
Em 2
R2
introduciendo el valor eficaz de la tensión : E =
I=
 1 θ 1 sen2θ 1 
+
 −

4π 
 2 2π
Em
2
θ
sen2ϑ1
E
1− 1 +
π
2π
R
(3)
La corriente se podrá variar desde su valor máximo E/R hasta cero, haciendo variar
respectivamente el ángulo θ1 de cero a π.
Los pulsos de encendido a pesar de que la carga es resistiva, deben tener una duración
bastante apreciable, por ejemplo 1 mseg ó más para frecuencias de 50 hertz; a efectos de
evitar que el encendido en las proximidades de cero grado, se convierta en errático, lo
cual produciría una discontinuidad en el funcionamiento, con golpes intermitentes de
corriente.
La necesidad de pulsos de gate de larga duración quedó también evidenciada en el
funcionamiento como interruptor estático donde la condición era lograr una corriente de
carga ininterrumpida.
2-3 FUNCIONAMIENTO CON CARGA R.L.
Funcionando como circuito regulador, la finalidad es controlar la corriente en cada
semiciclo, al igual que en el caso de carga resistiva. Sin embargo las posibilidades de
regulación se reducen debido al argumento φ que presenta la carga. Esta carga puede ser
un motor de c.a.
Como quedará demostrado a continuación, es necesario distinguir dos tipos diferentes de
funcionamiento correctos ó normales y un tercer tipo de funcionamiento incorrecto ó
inapropiado.
Estos tipos se pueden resumir así:
- Corriente de carga ininterrumpida; funcionamiento normal: se obtiene con θ < φ y
pulsos de encendido de larga duración.
- Corriente de carga rectificada; funcionamiento incorrecto: se produce con θ < φ y
pulsos de encendido de corta duración.
- Corriente de carga pulsante alterna; funcionamiento normal: se obtiene para θ > φ y es
independiente de la duración de los pulsos de encendido.
2-3-1 FUNCIONAMIENTO CON θ1 INFERIOR A φ Y PULSOS DE LARGA
DURACIÓN
Este caso tiene un funcionamiento similar al estudiado en la aplicación de interruptor estático.
Sin embargo en la fig. 3, la corriente de carga dibujada es la de régimen permanente, que se
obtiene después de que la componente transitoria se haya extinguido.
Al conectar el circuito a la red, durante el primer semiciclo, y siendo θ1 distinto que φ, se
origina una corriente de carga compuesta de la corriente de régimen permanente y la corriente
transitoria.
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En el siguiente análisis se podrá demostrar que el régimen de funcionamiento se estabiliza,
desapareciendo la componente transitoria de la corriente, luego de algunos ciclos, si los
pulsos de encendido son de larga duración como para evitar que ninguno de los tiristores
quede sin conducir en su correspondiente semiciclo (fig. 5).
Figura 5
El tiristor 1 se dispara en θ1 estableciéndose la corriente i en el circuito de la fig. 1 donde se
verifica:
L
di
+ R.i = Em.senωt
dt
(4)
de donde se obtiene que:
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Página - 8 R
L
Em
Em
i=
sen(ωt − ϕ ) −
sen(θ 1 − ϕ )e
z
z
(t −
θ1
)
ω
donde z = R 2 + (ωL) 2 , que es la impedancia de la carga y
(5)
tg ϕ =
ωL
R
al primer término de la ecuación 5 lo llamamos if que es la corriente de régimen permanente y
al segundo il que es la componente transitoria.
o sea
i = if + i L
(5 a)
Dado que θ1 < φ resulta iL positiva, al igual que if y la suma de ellas da la corriente i del
circuito .
Como las condiciones iniciales de la corriente, son nulas. Ella comienza en θ1 con valor cero,
es decir que en ese instante los valores de if e iL son iguales y opuestos. Esto mismo se
verifica al final de la conducción, en θ2, cuando i se anula dejando de conducir el tiristor 1.
En este momento, el tiristor 2 comienza a conducir ya que está polarizado directamente y el
pulso de encendido, aún persiste en su gate.
Pero este ángulo θ2, de encendido para el tiristor 2, se encuentra ubicado después de π + φ. Es
decir que para este tiristor la condición impuesta de θ1 < φ para el tiristor 1, no se cumple y
resulta precisamente invertida, o sea θ2 > π + φ > π +θ1
En consecuencia el término iL de la ecuación ( 5 a) seguirá siendo positivo durante este
semiciclo mientras que if es negativo y por lo tanto se restan resultando la corriente i más
chica que la del semiciclo anterior.
Esta corriente circula por el tiristor 2 hasta un ángulo mayor que 2π + θ1 reduciendo la
diferencia inicial que existía entre φ y θ1 .
Como el ángulo θ2 define el valor de iL al finalizar la conducción del primer semiciclo y
también al comenzar la conducción en el semiciclo siguiente, ésta corriente no presenta
discontinuidad y al cabo de unos ciclos se anula quedando únicamente la corriente if de
régimen permanente.
De esta manera, el circuito en su funcionamiento logra “Autorregularse” tendiendo al régimen
permanente donde el encendido de los tiristores se producirá para θ1 = φ y
θ2 = π + φ como se mostró en fig. 3.
El valor eficaz de la corriente resulta entonces.
I=
E
R + ω 2 L2
2
(6)
que es el valor máximo posible que puede alcanzar en régimen permanente.
La posibilidad de regulación se obtiene al ir aumentando θ1, con lo cual la corriente eficaz irá
disminuyendo.
2-3-2 FUNCIONAMINETO CON θ1 INFERIOR A φ Y PULSOS DE CORTA
DURACION
Se hace referencia a la fig. 6 que muestra los pulsos de corta duración; dando comienzo a la
conducción el pulso ig1
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Figura 6
Durante el primer semiciclo el funcionamiento del circuito es idéntico al caso anterior, donde
por el tiristor 1 circulará la corriente i que se inicia en θ1 y se anula en θ2.
En este
momento el tiristor 2 se encuentra polarizado directamente, pero el pulso de su gate ya no
existe y consecuentemente el tiristor 2 no conduce.
La aplicación del pulso ig2 en π + θ1 no produce efecto positivo puesto que el tiristor 2 aún se
encontraba polarizado inversamente por la caída de tensión en el tiristor 1 que estaba
conduciendo.
Así es que el tiristor 2 no conduce y la corriente i es cero, hasta que en 2π + θ1 se activa
nuevamente el tiristor 1, repitiéndose los regímenes de corriente del primer semiciclo.
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El resultado es que el circuito funciona como un rectificador, pudiendo ocasionar serios
inconvenientes, ya que la carga salvo casos especiales, es para operar con c.a.
Este inconveniente se produce cuando hay cargas inductivas con núcleo de hierro, en las
cuales la componente de continua, satura el núcleo y por lo tanto la impedancia baja a valores
muy bajos y consecuentemente la corriente se eleva a valores que sobrepasan los admisible
del diseño.
2-3-3 FUNCIONAMIENTO CON θ1 MAYOR QUE φ
En la fig. 7 se observan las ondas de tensión de cada tiristor conduciendo y las componentes
que dan origen a la corriente i que se establece en cada semiciclo .
La corriente i viene dada por la misma expresión (5); obteniéndose en este caso que la
componente iL es de signo opuesto a if.
En θ1, y θ2 los valores de if e iL son iguales y de signos contrarios, al igual que en el caso
estable estudiado anteriormente, con lo que la corriente i en estos instantes es nula. En θ2 el
tiristor 1 deja de conducir, permaneciendo ambos tiristores inactivos hasta que en π + θ1 por
aplicación de un pulso al gate del tiristor 2, éste conduce. La corriente i en este semiciclo,
para condiciones de carga invariables, resulta igual y opuesta a la del semiciclo anterior,
obteniéndose en consecuencia una corriente de carga con valor medio igual a cero, mientras
que su valor eficaz podrá variarse desde su máximo E/Z que se manifiesta para θ1 = φ hasta
cero que corresponde a θ1 = π. Siendo éstos los límites posibles de “ variación”, o sea π > θ >
φ.
En efecto: para θ1 > π no habrá conducción debido a que la tensión anódica del tiristor
correspondiente es negativa.
Para θ1 = π la componente transitoria iL es nula y la corriente i de carga es la if tal como se
analizó anteriormente.
En el funcionamiento descrito, no se requiere que los pulsos de gate sean de larga duración;
sin embargo para ángulos de encendido próximos a φ puede ocurrir que al variar las
condiciones de carga del motor, los nuevos valores de φ se hagan mayores que θ1 en cuyo
caso, para no caer en el régimen de funcionamiento inadecuado, como rectificador, será
necesario condicionar a que los pulsos sean de larga duración.
Es oportuno observar que estos pulsos en algunas aplicaciones cubren todo el semiciclo. En
algunos casos es una tensión continua, debidamente aplicada y en otros es una sucesión de
pulsos de alta frecuencia.
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Figura 7
3- APLICACIÓN A UNA MAQUINA DE SOLDAR
En la fig. 8 se representa un circuito simplificado de una máquina de soldar por puntos.
El circuito de potencia ó de alta corriente está formado por los tiristores T1 y T2 en conexión
antiparalelo y el transformador Tr habiéndose omitido los restantes elementos que hacen a la
conexión, protección y medición de este circuito. El secundario de Tr es el que provee la
corriente de soldadura propiamente dicha; la cual se establece una vez que los electrodos ó
puntas cierren el circuito secundario sobre las partes a soldar y el circuito de control dispone
la activación de los tiristores.
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El circuito inherente al transistor unijuntura Q1 es uno de los osciladores de relajación
conocido. Actúa en sincronismo con la tensión de alimentación, debido a la acción que en
cada semiciclo brinda el diodo Zener D5.
Figura 8
Los pulsos de disparo, generados por este circuito, se trasmiten a través del transformador de
pulsos Tr2 a los dos gates de los tiristores auxiliares Tr3 y Tr4 en forma simultánea. Uno de
estos dos tiristores, sea el T3 tendrá tensión anódica positiva proveniente del transformador
auxiliar Tr1, y se pondrá en conducción mientras que el otro tiristor se encuentra con tensión
anódica negativa y no conduce.
El tiristor auxiliar en conducción, se mantiene así hasta el final del semiciclo, a través
precisamente del gate del correspondiente tiristor de potencia Tl, brindando en consecuencia
la posibilidad de encendido seguro de este tiristor; tal como se requería en los análisis
efectuados precedentemente.
Para que la corriente resulte ininterrumpida los tiristores auxiliares deben excitarse al
comienzo de su respectivo semiciclo, condición ésta que debe ser satisfecha por el circuito
generador de pulsos, resultando en consecuencia muy breve su período de oscilación, con lo
cual generará varios pulsos por cada semiciclo. No obstante es necesario insistir aquí en que
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el pulso que debe producir la conducción de los tiristores auxiliares, es el primero y no
cualquiera de ellos, a efectos de lograr el funcionamiento correcto del circuito.
Circuitos de encendido más elaborados pueden formarse con un generador de pulsos de alta
frecuencia (hasta de 10 KHz.) Este tren de pulsos es aplicado en el instante deseado a través
de circuitos de sincronización, directamente a los tiristores de potencia.
La duración del tiempo de soldadura está determinada por la conducción del tiristor T5
controlado por un circuito temporizador Te que permite regular la duración de dicho tiempo.
Para el circuito vinculado al T3, al igual que para el del T4 tenemos: D8 es un diodo zener
que limita la tensión máxima que llega al gate de Tl en el instante inicial de conducción de T3,
a efectos de limitar la potencia aplicada al mismo .
R6 es requerida para normal funcionamiento de D8.
R8 y C3 facilitan que la llegada del pulso al gate del T1 en su instante inicial, sea con su
máxima amplitud dada por la tensión del diodo zener D8; asegurando la excitación del gate en
este instante. Luego se mantendrá excitado con una corriente limitada por R8; a la espera de
que deje de conducir el T2 para reiniciar la conducción el T1.
Como acotación de carácter práctico, puede mencionarse que las máquinas de soldar cuentan
con dispositivos no solamente, electrónicos, sino además hidráulicos y electromecánicos
destinados a optimizar una operación automática, de funcionamiento seguro y calidad
uniforme.
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