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Tiristor SCR Retificador Controlado de Silício

EDIÇÃO PRELIMINAR – 1.1 FLORIANÓPOLIS – MARÇO, 2002.

Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 2

Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC

Esta apostila é um material de apoio didático utilizado pelo autor nas suas aulas de Eletrônica de Potência do curso Técnico em Eletrônica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina (CEFET/SC). Este material não tem a pretensão de esgotar, tampouco inovar o tratamento do conteúdo por ele abordado mas, simplesmente, facilitar a dinâmica de aula, com expressivos ganhos de tempo e de compreensão do assunto por parte dos alunos. Este trabalho foi construído com base nas referências, devidamente citadas ao longo do texto, nas notas de aula e na experiência do autor na abordagem do assunto com os alunos. Em se tratando de um material didático elaborado em uma Instituição Pública de Ensino, é permitida a reprodução do texto, desde que devidamente citada a fonte. Quaisquer contribuições e críticas construtivas a este trabalho serão bem-vindas pelo autor.

Prof. Fernando Luiz Mussoi mussoi@cefetsc.edu.br

Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 3

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Nota do Autor2
1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SCR4
2. SCR IDEAL:6
3. POLARIZAÇÃO DIRETA:7
4. POLARIZAÇÃO REVERSA:8
5. MODOS DE DISPARO DE UM SCR:9
5.1. Corrente de Gatilho IGK:9
5.2. Sobretemperatura:1
5.3. Sobretensão:1
5.4. Degrau de Tensão dv/dt (∆V/∆t):12
5.5. Luz ou Radiação:12
6. ANALOGIA COM 2 TRANSISTORES:13
7. BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR13
7.1. Comutação Natural:14
7.2. Comutação Forçada:14
8. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DO SCR:15
9. CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DO SCR17
9.1. Características Dinâmicas no Disparo:17
9.2. Características Dinâmicas no Bloqueio:18
10. PERDAS TÉRMICAS EM CONDUÇÃO:19
1. TESTANDO UM SCR COM MULTÍMETRO:20
12. PROTEÇÕES DO SCR:2
12.1. Proteção contra Degrau de Corrente di/dt (∆I/∆t):2
12.2. Proteção contra Degrau de Tensão dv/dt (∆V/∆t):2
12.3. Proteção contra Sobretensão23
12.4. Proteção contra Sobrecorrente24
12.5. Proteção do Circuito de Disparo do Gatilho24
13. ASSOCIAÇÕES DE SCR:24
14. REQUISITOS BÁSICOS PARA OS CIRCUITOS DE DISPARO:24
15. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS C25
16. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CA – CONTROLE DE FASE:26
16.1. Circuito de Disparo CA com Rede Resistiva26
16.2. Circuito de Disparo CA com Rede Defasadora RC:28
16.3. Circuito de Disparo CA com Diodo Schokley ou Diac:29
17. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS PULSADOS:31
17.1. Oscilador de Relaxação com Transistor Unijunção31
17.2. Oscilador com Diodo Schokley e com Diac34
17.3. Outros Circuitos Pulsados35
18. ISOLAMENTO E ACOPLAMENTO35
18.1. Acoplamento Magnético36
18.2. Acoplamento Óptico3 6
18.3. Proteção do Gatilho37
19. PROBLEMAS PROPOSTOS39
20. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS41
ANEXOS:42

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Tiristor SCR

(Silicon Controlled Rectifier) Retificador Controlado de Silício

1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SCR

O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) foi desenvolvido por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA) em 1957. É o mais conhecido e aplicado dos Tiristores existentes. Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN).

Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal é responsável pelo controle da condução (disparo). Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente (tensão positiva no Ânodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.

A principal aplicação que os SCR têm é a conversão e o controle de grandes quantidades de potência em sistemas C e CA, utilizando apenas uma pequena potência para o controle. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tensão em que podem operar. Algumas características dos SCR’s:

• São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.

• Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações e características na prática.

• São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N) e 3 terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho).

• São semicondutores de silício. O uso do silício foi utilizado devido a sua alta capacidade de potência e capacidade de suportar altas temperaturas.

• Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil;

• Possuem resistência elétrica variável com a temperatura, portanto, dependem da potência que estiverem conduzindo.

• São aplicados em controles de relés, fontes de tensão reguladas, controles de motores,

Choppers (variadores de tensão C), Inversores C-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras.

A figura 1.1 apresenta a simbologia utilizada e as camadas, junções e terminais, enquanto a figura 1.2 apresenta um tipo de estrutura construtiva para as camadas de um SCR. A figura 1.3 mostra a aparência do encapsulamento tipo TO de um SCR muito utilizado, já acoplado a um dissipador de calor. A figura 1.4 mostra alguns SCR de alta potência com encapsulamento tipo rosca e tipo disco.

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Ânodo

Cátodo Gatilho

Ânodo

Cátodo Gatilho

J2 J3

Figura 1.1 – SCR: Simbologia, Camadas e Junções

N Ânodo Cátodo

Gatilho A K

G Figura 1.2 – Um tipo de estrutura interna das camadas de um SCR

Figura 1.3 – Encapsulamento tipo TO para SCR, com dissipador de calor.

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Figura 1.4 – SCR com encapsulamentos tipo rosca e tipo disco para altas potências [ref. 3]

2. SCR IDEAL:

Um SCR ideal se comportaria com uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebesse um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto com polarização direta como reversa. Bloqueado, o SCR ideal não conduziria qualquer valor de corrente. Tal característica é representada pelas retas 1 e 2 na Figura 2.1.

Quando disparado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho IGK, o SCR ideal se comportaria como um diodo ideal, como podemos observar nas retas 1 e 3. Nesta condição, o SCR ideal seria capaz de bloquear tensões reversas infinitas e conduzir, quando diretamente polarizado, correntes infinitas sem queda de tensão e perdas de energia por Efeito Joule.

Assim como para os diodos, tais características seriam ideais e não se obtêm na prática. Os SCR reais têm, portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados têm limitações de condução de corrente, pois apresentam uma pequena resistência à circulação de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções que provocam perdas de energia por Efeito Joule e conseqüente aquecimento do componente.

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+ V-AK

(b)

Figura 2.1 - (a) polarização direta (b) características estáticas de um SCR ideal. [ref. 1]

3. POLARIZAÇÃO DIRETA:

A figura 3.1 apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar: • Tensão do Ânodo positiva em relação ao Cátodo

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