Baixe Tiristor SCR - Retificador controlado de silício e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica de Potência, somente na Docsity! CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA GERÊNCIA EDUCACIONAL DE ELETRÔNICA DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Tiristor SCR Retificador Controlado de Silício PROF. FERNANDO LUIZ ROSA MUSSOI EDIÇÃO PRELIMINAR – 1.1 FLORIANÓPOLIS – MARÇO, 2002. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 2 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC NOTA DO AUTOR 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 5 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Ânodo Cátodo Gatilho A G K P P N N Ânodo Cátodo Gatilho A G K J1 J2 J3 Figura 1.1 – SCR: Simbologia, Camadas e Junções P P N 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. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 6 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC 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. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 7 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC IA VAK (b) + V -AK IA A K (a) 1 2 3 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 • J1 e J3 polarizadas diretamente • J2 polarizada reversamente: apresenta maior barreira de potencial • Flui pequena Corrente de Fuga Direta de Ânodo para Cátodo, IF (Forward Current). • Bloqueio Direto – DESLIGADO Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 10 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC A característica gatilho-cátodo de um SCR se assemelha a uma junção PN, variando, portanto, de acordo com a temperatura e características individuais do componente, um exemplo de curva de disparo pode ser encontrado no anexo deste documento. P P N N Ânodo Cátodo IGK (+) A (+) G K (−) J1 J2 J3 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − + + + + + + + + + + + − − Figura 5.1 – Disparo de um SCR Como entre o gatilho e o cátodo há uma junção PN, temos uma tensão de aproximadamente 0,7V. Desta forma, analisando o circuito da figura 5.2. podemos determinar os requisitos para o circuito de disparo do SCR. VDISPARO IG Figura 5.2 – Circuito para disparo do SCR Assim, a tensão VDISPARO necessária para proporcionar a corrente de disparo IG através da resistência limitadora RG pode ser dada por: 7,0+⋅= GGDISPARO RIV Um SCR pode disparar por ruído de corrente no gatilho. Para evitar estes disparos indesejáveis devemos utilizar um resistor RGK entre o gatilho e o cátodo que desviará parte do ruído, como indica a figura 5.3. Em alguns tipos de SCR, a resistência RGK já vem internamente no componente para diminuir sua sensibilidade. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 11 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Figura 5.3 – Resistência para evitar disparos por ruídos no gatilho 5.1.1. Corrente de Retenção e Corrente de Manutenção Para entrar em condução o SCR deve conduzir uma corrente suficiente, cujo valor mínimo recebe o nome de Corrente de Retenção IL (Latching Current). O SCR não entrará em condução se a Corrente de Gatilho IGK for suprimida antes que a Corrente de Ânodo IA atinja o valor da Corrente de Retenção IL. Uma vez retirada a corrente de gatilho, a mínima Corrente de Ânodo IA para manter o SCR em condução é chamada Corrente de Manutenção IH (Holding Current). Se a Corrente de Ânodo for menor que a Corrente de Manutenção, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR entrará em Bloqueio. A Corrente de Retenção é maior que a Corrente de Manutenção (IL > IH). O valor de IL é em geral de duas a três vezes a corrente de manutenção IH. Ambas diminuem com o aumento da temperatura e vice-versa. É por este motivo que dizemos que o SCR é uma Chave de Retenção (ou Travamento) porque uma vez em condução, permanece neste estado enquanto a Corrente de Ânodo IA for maior que a Corrente de Manutenção (IA > IH), mesmo sem corrente no gatilho (IGK). 5.2. Sobretemperatura: O aumento brusco da temperatura aumenta o número de pares elétrons-lacunas no semicondutor provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. O disparo por aumento de temperatura deve ser evitado. 5.3. Sobretensão: Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução. Isto acontece porque o aumento da tensão VAK em polarização direta acelera os portadores de carga na junção J2 que está reversamente polarizada, podendo atingir energia suficiente para provocar a avalanche e disparar o SCR. Este fenômeno faz com que muitos elétrons choquem-se e saiam das órbitas dos átomos do semicondutor ficando disponíveis para condução e permitindo o aumento da corrente de fuga no SCR e levando-o ao estado de condução. O disparo por sobretensão direta diminui a vida útil do componente e, portanto, deve ser evitado. A aplicação de uma sobretensão reversa, ou seja, uma tensão ânodo-cátodo maior que o valor da tensão de ruptura reversa máxima (VRRM ou VBR) danificará o componente. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 12 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC 5.4. Degrau de Tensão dv/dt (∆V/∆t): Se a taxa de crescimento da tensão ânodo-cátodo VAK no tempo for alta (subida muito rápida da tensão VAK) pode levar o SCR ao estado de condução. Em polarização direta a Junção J2 está reversamente polarizada e se comporta como um capacitor carregado, como podemos observar na figura 5.1. P P N N Ânodo Cátodo iC A (+) G K (−) J1 J2 J3 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − + + + + + + + + + + + Figura 5.1 – Disparo por degrau de tensão Num capacitor a corrente de carga relaciona-se com a tensão pela expressão: dt dvCiC ⋅= Assim, quando for aplicada uma tensão VAK a capacitância da Junção J2 fará circular uma corrente no gatilho tanto maior quanto maior for a variação da tensão no tempo (∆v/∆t). Esta corrente no gatilho pode ser suficiente para disparar o SCR. O valor máximo de dv/dt é dado pelo fabricante em catálogos. O disparo por degrau de tensão deve ser evitado pois pode provocar queima do componente ou disparo intempestivo. O circuito de proteção é chamado de Snubber e será estudado adiante. 5.5. Luz ou Radiação: Se for permitida a penetração de energia luminosa (luz) ou radiante (fótons, raios gama, nêutrons, prótons, elétrons ou raios X) nas junções do semicondutor, haverá maior combinação de pares elétrons-lacunas, provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. É o caso do SCR ativado por luz, chamado foto-SCR ou LASCR (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier). Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 15 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC esteja totalmente carregado e que a chave pode ser um outro semicondutor (um outro SCR ou um transistor, por exemplo). Figura 7.3 – Comutação forçada por capacitor Requisite ao professor material sobre Prática sobre Comutação de SCR, ou consulte: http://www.cefetsc.edu.br/mussoi 8. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DO SCR: Existem limites de tensão e corrente que um SCR pode suportar. Tais limites constituem as características estáticas reais como mostra a Figura 8.1. As curvas 1 e 2 apresentam as características para o SCR no estado de bloqueio, enquanto as curvas 1 e 3 mostram as características para o SCR com Corrente de Gatilho IGK, para ambas as polarizações. Podemos, então, verificar na Figura 8.1, que a curva característica de um SCR real apresenta três regiões distintas: • Bloqueio em Polarização Reversa – curva 1 • Bloqueio em Polarização Direta – curva 2 • Condução em Polarização Direta – curva 3 E0 VTO 1/r0 VAK (V) IA (A) IR VBR IF VBO VDRM 1 3 2 VRRM IAmáx IL IH Tensões VAK para diferentes correntes de Gatilho IGK Figura 8.1 – Características estáticas reais do SCR. [ref. 1] Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 16 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC A Tabela 8.1 apresenta os principais parâmetros nominais dos SCR. Tabela 8.1 – Principais Parâmetros dos SCR Parâmetros Importantes Simbologias Usuais Nome Original Unidades Usuais Tensão Ânodo-Cátodo, quando em condução E0 VTO VF Turn-on Voltage ou Forward Voltage V Tensão de Ruptura Reversa Máxima VRRM VBR Reverse Breakover Voltage V kV Tensão de Ruptura Direta Máxima VDRM VBO Breakover Voltage V kV Corrente de Fuga Reversa IR Reverse Current mA Corrente de Fuga Direta IF Forward Current mA Resistência em Condução rO rF rT Forward Resistance ou Turn-on Resistance mΩ Corrente de Disparo de Gatilho para Cátodo IG IGK Gate Current mA A Tensão de Gatilho para Cátodo VGK Gate Voltage V Corrente Média no Ânodo IAV Imed Average Current A kA Corrente Eficaz no Ânodo IRMS Ief Root Mean Square Current A kA Corrente de Pico no Ânodo IP Peak Current A kA Tensão Inversa Máxima entre Gatilho e Cátodo VGRM Maximum Reverse Gate Voltage V Corrente Máxima de Disparo do Gatilho IGTM Maximum Gate Trigger Current µA mA Tensão Máxima de Disparo do Gatilho VGTM Maximum Gate Trigger Voltage V Corrente Mínima de Disparo do Gatilho IGT Gate Trigger Current µA mA Tensão Mínima de Disparo do Gatilho VGT Gate Trigger Voltage V Corrente de Retenção IL Latching Current µA mA Corrente de Manutenção IH Holding Current µA mA Observação: A maioria dos SCR apresentam IGT entre 0,1 a 50mA. IGT e VGT variam inversamente com a temperatura. O caso mais crítico, portanto, ocorre em altas temperaturas. Como exemplo, temos os dados de catálogo fornecidos pelo fabricante para o tiristor: SCR Aegis A1N:16.06J [ref.3] •SCR encapsulamento tipo rosca •Tensão de ruptura reversa máxima (VRRM) 600V •Corrente de ânodo média admissível (IAKmed) 16A •Corrente de ânodo eficaz admissível (IAkef) 35A •Tensão direta em condução (E0) 1,0V •Resistência em condução (r0) 18mΩ •Corrente de disparo mínima (IGT) 150mA •Tensão Mínima de Gatilho (VGT) 2,0V Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 17 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC •Degrau de Tensão Admissível (dV/dt) 200V/µs •Degrau de Corrente Admissível (dI/dt) 150A/µs •Corrente de Manutenção (IH) 100mA •Corrente de Retenção (IL) 200mA •Corrente de Fuga (IF) 10mA 9. CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS DO SCR As características dinâmicas do SCR estão ligadas diretamente com o comportamento transitório do componente durante os processos de entrada em condução e de bloqueio. 9.1. Características Dinâmicas no Disparo: A Figura 9.1 mostra o circuito para o estudo do disparo do SCR, onde VCC é a fonte que alimentará a resistência de carga através do SCR. A fonte VG fornecerá a corrente de gatilho IGK através da resistência limitadora RG. Considere que no instante inicial t0 a chave Ch1 é fechada e a fonte VG fornece a corrente IGK ao gatilho. Figura 9.1 – Circuito para o estudo do disparo do SCR As formas de onda de interesse para o disparo são mostradas na Figura 9.2. Entre o fechamento da chave Ch e a efetiva condução do SCR há um tempo necessário para que a corrente de gatilho IGK provoque o decaimento da tensão ânodo-cátodo VAK e a elevação da corrente de ânodo IA. O tempo de retardo é chamado de td (delay time) e o tempo de decaimento tr . O tempo de fechamento ton = td + tr, é o tempo necessário para que o SCR comece a conduzir efetivamente a partir do disparo. O tempo de retardo td (delay time) é a maior componente do tempo de fechamento e depende principalmente da amplitude da corrente de gatilho IGK e da velocidade de crescimento da referida corrente. O tempo de decaimento da tensão ânodo-cátodo tr independe da corrente IGK. Apenas as características de fabricação do componente interferem no decaimento de VAK. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 20 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC • Perdas de Potência por Chaveamento (comutação) • Perdas de Potência por Acionamento do Gatilho Em Geral, sob condições normais de operação as Perdas em Bloqueio e por Acionamento do Gatilho são pequenas o suficiente para serem desprezadas. Em baixas freqüências (<400Hz), as Perdas por Chaveamento também são pequenas e podem ser desconsideradas. Em altas freqüências, especialmente na entrada em condução do SCR, as perdas aumentam significativamente. A referência [5] apresenta uma boa discussão a respeito. A principal fonte de perdas de potência são durante a condução do SCR. Analogamente a um diodo, podemos representar o SCR por seu circuito elétrico equivalente, mostrado na Figura 10.1, onde E0 (VF ou VTO) representa a queda de tensão e r0 (rF ou rT) representa a resistência quando o componente está em condução. r A K E O IA O Figura 10.1 - Circuito equivalente do SCR em condução. O SCR conduzindo dissipa uma potência elétrica (em Watts) na forma de calor que pode ser calculada por: 2 00 efmedSCR IrIEP ⋅+⋅= onde: PSCR – perda de potência no SCR durante a condução (W) E0 – tensão ânodo-cátodo durante a condução (V) r0 – resistência em condução (mΩ) Imed – valor médio da corrente de ânodo (A) Ief – valor eficaz da corrente de ânodo (A) A determinação das Perdas em Condução do SCR tem importância fundamental no chamado “Cálculo Térmico” para o dimensionamento dos Dissipadores de Calor e Sistemas de Refrigeração. O seu correto dimensionamento permite que o componente controle o máximo de potência sem sobreaquecimento, o que poderia danificá-lo. 11. TESTANDO UM SCR COM MULTÍMETRO: Os SCR devem ser testados em polarização direta e acionando-se a porta com um sinal de corrente e observando-se se ele permanece conduzindo após essa corrente ser removida. Para os SCR de pequeno porte, que apresentam baixas Correntes de Manutenção IH, o teste pode ser feito com um Multímetro na função Ohmímetro, como mostra a seqüência de testes na figura 11.1. O terminal positivo do multímetro é ligado ao ânodo e o negativo ao cátodo para que a bateria interna do instrumento polarize diretamente o SCR. Esta é a condição de bloqueio direto e a leitura do ohmímetro deve ser um valor muito alto. Mantendo-se esta condição e conectando-se também o gatilho no terminal positivo do multímetro, a bateria do instrumento fornecerá o sinal de corrente para disparar o SCR. A leitura do ohmímetro deverá indicar um valor substancialmente baixo e manter-se neste valor após o gatilho ser removido do terminal positivo do multímetro. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 21 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Conexão Resistência Condição ALTA BOM BAIXA CURTO BAIXA BOM ALTA ABERTO BAIXA BOM ALTA DUVIDOSO ALTA BOM BAIXA CURTO ALTA BOM BAIXA CURTO Figura 11.1 – Testando um SCR com Multímetro Se em polarização direta e sem a conexão do gatilho, a leitura do ohmímetro for baixa, isso indicará um curto-circuito entre ânodo e cátodo. Se ao conectar o gatilho a leitura do ohmímetro não diminuir, o SCR estará aberto. Se estiver conduzindo e voltar ao bloqueio quando do gatilho for desconectado, sua condição de operação será duvidosa pois talvez a corrrente fornecida pela bateria do instrumento não seja suficiente para atingir a corrente de manutenção (IH). Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 22 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Em polarização reversa a leitura do ohmímetro deve ser sempre muito alta, mesmo com a conexão do gatilho. Observação Importante: Este método deve ser usado com cautela pois a tensão do ohmímetro aplicada ao gatilho pode ser alta o suficiente para danificar o componente. O teste mais adequado deve ser feito com um instrumento traçador de curvas. 12. PROTEÇÕES DO SCR: Um SCR exige uma adequada proteção contra sobretensões e sobrecorrentes para oferecer uma operação segura e confiável. Sob condições anormais, sobrecargas por exemplo, o SCR poderá ser percorrido por uma sobrecorrente suficiente para danificá-lo. Operações inadequadas e transitórios podem provocar sobretensões que ultrapassem os seus limites nominais de tensão. O dimensionamento do SCR deverá ser feito para as condições normais de operação, levando-se em conta uma certa margem de segurança. Superdimensioná-lo para as possíveis condições anormais seria antieconômico. 12.1. Proteção contra Degrau de Corrente di/dt (∆I/∆t): Quando o SCR começa a conduzir, a corrente de ânodo fica concentrada em uma área relativamente pequena próxima ao gatilho. É necessário um certo tempo para que a condução se espalhe por igual em toda a pastilha semicondutora. Entretanto, se ocorrer um Degrau de Corrente, rápido crescimento da corrente de ânodo IA, poderão formar-se pontos quentes (hot spots) no semicondutor e queimar o componente por sobre-temperatura. Este Degrau de Corrente é dado pela taxa com que a corrente varia no tempo, ou di/dt (∆I/∆t) e é expresso em Ampères por microssegundos (A/µs). Limita-se o di/dt com uma pequena indutância em série com o SCR, pois esta se opõe às variações bruscas de corrente, amortecendo a subida da corrente no ânodo. A Indutância requerida pode ser determinada pela equação: ( )max/ dtdi VL P≥ Onde: L – indutância (µH0 (di/dt)max – degrau de corrente máximo admissível (A/µs) VP – tensão de pico (V) 12.2. Proteção contra Degrau de Tensão dv/dt (∆V/∆t): O Degrau de Tensão, rápido crescimento da tensão VAK, pode disparar indesejavelmente o SCR. Para proteger contra o disparo intempestivo utiliza-se uma rede RC (resistor em série com capacitor) conectada aos terminais de ânodo e cátodo do SCR. Este circuito de proteção, apresentado na Figura 12.1, é chamado de Snubber. A capacitância é uma oposição à variação de tensão e, portanto, o capacitor CS conectado aos terminais do SCR reduz a taxa na qual a tensão no dispositivo varia. Quando o SCR estiver bloqueado, o capacitor CS se carregará até o instante em que o dispositivo entrar em condução. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 25 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC • Quando reversamente polarizado é desaconselhável haver sinal de gatilho, pois o componente pode queimar pelo aumento da corrente de fuga reversa. • O controle deverá ser suficientemente preciso; • Em circuitos trifásicos, garantir a defasagem de 120o nos sinais dos gatilhos. • Em associações de SCR, garantir o acionamento simultâneo. Basicamente, existem 3 tipos usuais de sinais de disparo: • Sinais CC; • Sinais AC. • Sinais Pulsados; 15. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CC Geralmente os parâmetros de acionamento de um SCR são fornecidos em relação à tensão e corrente médias CC. Os circuitos de disparo com sinais CC podem fazer uso da própria fonte de tensão que alimenta a carga, se ela for CC, ou ter uma fonte própria, como mostra a figura 15.1. Figura 15.1 – a) Circuito de Disparo CC com a mesma fonte da carga; b) Circuito de Disparo CC com fonte própria. Ao fecharmos a chave Ch1 o SCR entra em condução pois uma corrente CC é aplicada no gatilho, que está diretamente polarizado pela fonte VCC. Uma vez conduzindo, o sinal de gatilho pode ser removido pela abertura da chave Ch1. O resistor Rg limita a corrente no gatilho e o diodo D limita a amplitude de um possível sinal negativo no gatilho em aproximadamente 1V. Em alguns casos, o diodo D pode ser substituído por um resistor RGK com a função de proteção do gatilho, como estudado no item sobre proteção do SCR. Não é recomendado o uso de sinal de gatilho CC para disparar SCR em aplicações CA porque um sinal positivo durante o semiciclo negativo aumenta a corrente de fuga reversa IR e pode danificar o componente. Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff podemos determinar o valor da resistência Rg para limitar a corrente de gatilho, em função da fonte Vg e da tensão máxima de gatilho admitida pelo componente: GKGGG VIRV −⋅− ( ) G GKG G I VV R − = Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 26 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Exemplo 15.1: O SCR da Figura 15.1(a) apresenta uma corrente máxima de gatilho de 100mA e máxima tensão VGK de 2V. Sendo a tensão VG de 15V, determine a resistência RG que fornecerá corrente suficiente para o disparo. 0=−⋅− GKGGG VRIV GKGGG VVRI −=⋅ ( ) ( ) Ω= ⋅ −= − = − 13010100 215 3 G GKG G I VV R Assim, uma resistência mínima de 130Ω deverá ser conectada. 16. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS CA – CONTROLE DE FASE: Um circuito de disparo sincronizado para o controle de fase é capaz de gerar e injetar uma corrente no gatilho do SCR para dispará-lo, quando polarizado diretamente, com a possibilidade de controlar o instante em que essa corrente será injetada no gatilho O método mais comum em aplicações de corrente alternada é derivar o sinal de disparo a partir da própria fonte principal CA. A grande vantagem é que este processo mantém o sinal de gatilho sincronizado com o ciclo de acionamento do tiristor, pripiciando o controle do ângulo de fase α onde o SCR dispara. É o chamado CONTROLE DE FASE. 16.1. Circuito de Disparo CA com Rede Resistiva A figura 16.1 mostra um circuito bastante simples para o controle de fase a partir do sinal CA e de uma rede resistiva no gatilho. Durante o semiciclo positivo o SCR está em bloqueio direto. Num dado instante a tensão VCA proporciona uma tensão e, conseqüentemente, uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR. Esse instante pode ser controlado pelo potenciômetro R1. Figura 16.1 – Circuito de disparo CA com rede resistiva Exemplo 16.1.1: Para o circuito de disparo CA com rede resistiva da figura 16.1, determinar o valor da resistência R1 e do potenciômetro P1 tal que proporcionem uma corrente no gatilho suficiente para disparar o SCR em 2o, 15o, 30o, 60o e 90º. Dados: Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 27 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC ( )tsen1272)t(v ω⋅⋅= V f = 60Hz Rcarga = 100Ω RGK = 1kΩ SCR TIC106 IGK=200µA VGTK=0,6V Solução: O objetivo é determinar as resistências que fazem com que a tensão em RGK seja suficiente para provocar a corrente mínima para disparo do SCR, IGK. Usando a técnica do Equivalente Thèvenin para os ramos do circuito de controle, temos o circuito equivalente da figura 16.2. Figura 16.2 – Equivalente Thèvenin no gatilho do SCR Seja Rx = R1 + R2 e aplicando a técnica do Equivalente Thèvenin, temos: ( ) xGK GK th RR tvR V + ⋅ = xGK xGK th RR RR R + ⋅ = Como queremos determinar o valor de Rx que suprem a corrente necessária IGK para o disparo do SCR, analisando a malha do Equivalente Thèvenin, determinamos a corrente que ele fornece ao gatilho: th GKth G R VV I − = Substituindo nesta equação as equações para o cálculo de Vth e de Rth e isolando Rx, encontramos: ( ) GKGKGK GKGKGK x IRV RVtvR R ⋅+ ⋅−⋅ = Substituindo os valores conhecidos de RGK , IGK e VGK, encontramos; ( ) µ⋅+ ⋅−⋅= 20010006,0 10006,0tv1000R x ( ) 750tv1250R x −⋅= Concluimos, então, que a resistência necessária é função da tensão instantânea v(t). Como queremos disparar o SCR em diversos ângulos, basta determinarmos qual o valor da tensão instantânea nestes ângulos e finalmente a resistência Rx que proporciona a corrente de disparo nestes mesmos ângulos: Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 30 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC A figura 16.6 apresenta um circuito de disparo com sinal CA usando um diodo Schokley. Enquanto a tensão no capacitor for menor que a tensão Schokley, o diodo estará cortado e o SCR não entrará em condução. Figura 16.6 – Circuito de disparo CA com Diodo Schokley Quando a tensão no capacitor atingir a tensão Schokley, o diodo entrará em condução e proporcionará um caminho de baixa impedância para a descarga do capacitor através do gatilho do SCR. O capacitor provocará um pulso de corrente suficiente para disparar o SCR. Controlando a defasagem τ entre a tensão da rede e a tensão no capacitor, varia-se o ângulo de disparo α. O Diac se comporta como um Diodo Schokley bidirecional, ou seja, como um Triac sem gatilho, preparado para disparar tanto por sobretensão direta como reversa. Assim, o diodo Schokley no circuito da figura 16.6 pode ser substituído por um Diac. A figura 16.7 mostra o símbolo e a curva característica do Diac. Os terminais são identificados por terminal 1 e 2 (Main Terminal). MT1 MT2 Figura 16.7 – Símbolo e curva característica do Diac Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 31 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC 17. CIRCUITOS DE DISPARO COM SINAIS PULSADOS: Para reduzir a dissipação de potência no gatilho, é aconselhável que os circuitos de disparo de SCR, em vez de um sinal CC contínuo, gerem um único pulso, ou um trem de pulsos. Isto apresenta algumas vantagens tais como: • permite controle mais preciso do ponto de disparo do tiristor • facilita o acoplamento e o isolamento elétrico entre o circuito de disparo e o circuito de potência que o SCR aciona. O isolamento elétrico pode ser feito através de transformadores de pulso ou de acopladores ópticos. • reduzir ruídos e transitórios que podem disparar intempestivamente o componente. Para o controle de fase adequado, os circuitos de disparo com sinais pulsados devem ser sincronizados com o sinal senoidal, ou seja, devem oscilar em relação ao zero da senóide. 17.1. Oscilador de Relaxação com Transistor Unijunção O Transistor Unijunção (Unijunction Transistor), fabricado desde 1948, apresenta três terminais: Emissor (E), Base 1 (B1) e Base 2 (B2). A figura 17.1 apresenta o símbolo, o diagrama equivalente e a estrutura interna do transistor unijunção. E B2 B1 B1 E B2 B1 P N Figura 17.1 – Simbologia, diagrama equivalente e estrutura interna do TUJ O transistor unijunção atua como uma chave controlada por tensão. Quando a tensão de emissor atingir a tensão de pico do transistor unijunção, este dispara conduzindo entre emissor e base 1, na região de resistência negativa. Quando a tensão de emissor decair ao ponto de vale, o transistor unijunção corta. Entre B1 e B2 o transistor unijunção apresenta uma resistência na faixa de 4,7 a 9,1kΩ. A figura 17.2 apresenta a curva característica para um transistor unijunção.. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 32 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Figura 17.2 – Curva característica do Transistor Unijunção [ref. 4] A tabela 17.1 mostra um procedimento simplificado de teste com a função ohmímetro de um multímetro para o transistor unijunção. Tabela 17.1 – Teste de um Transistor Unijunção com Multímetro Ponteira Positiva (+) Ponteira Negativa (-) Resistência B2 B1 RB1 + RB2 B1 B2 RB1 + RB2 E B1 RB1 B1 E Aberto (∞) E B2 RB2 B2 E Aberto (∞) Um oscilador de relaxação com transistor unijunção, apresentado na figura 17.3 é um circuito comum para a produção de pulsos para disparo de SCR. Ele produz um trem de pulsos estreitos na base 1. O carregamento do capacitor C1 se dá através da fonte Vcc e é controlado pelo resistor Rf e o potenciômetro P1. Quando a tensão no capacitor atingir o valor da tensão de pico do transistor unijunção, este entra em condução entre emissor e base1, fluindo uma corrente de emissor para o primário do transformador de pulso e aplicando um sinal no gatilho do SCR. Quando a tensão no capacitor C1 cair para o valor da tensão de vale, o transistor unijunção corta e o processo se repete. A figura 17.4 mostra as formas de onda para este oscilador. A largura do pulso é dada pelo valor do capacitor. A desvantagem deste circuito é a curta duração dos pulsos, o que pode levar um SCR a não se manter em condução. Isto pode ser solucionado pelo circuito snubber RC, já estudado. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 35 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Quando carregado com a tensão de disparo do Schokley (ou do Diac), se descarrega através deste injetando uma corrente de disparo no SCR. Rapidamente o capacitor se descarrega e faz o Schokley (ou o Diac) cortar, repetindo o processo. As formas de onda são semelhantes às da figura 17.4. Este circuito requer baixa potência da fonte Vcc para carregar o capacitor e fornece uma potência alta em um curto intervalo de tempo, garantindo assim, o disparo do SCR. K A C SCR DIACR + Vcc Figura 17.8 – Disparo de SCR usando um Diac 17.3. Outros Circuitos Pulsados Existem muitos outros circuitos pulsados para o disparo de tiristores, como por exemplo: • Oscilador com o circuito integrado 555; • Circuito Integrado dedicado a disparos de tiristores TCA-785 da Siemens; • Via programação (software) em circuitos microcontrolados e microprocessados; • outros Para obter mais informações sobre este assunto ou esclarecer alguma dúvida, fale com o professor ou consulte: http://www.cefetsc.edu.br/mussoi 18. ISOLAMENTO E ACOPLAMENTO Em circuitos tiristorizados existem diferentes tensões em diversos pontos. O circuito de potência que o tiristor controla é submetido a tensões elevadas, geralmente maiores de 100V. Já o circuito de controle do disparo é alimentado com baixas tensões, tipicamente até 30V. Portanto, é necessário um circuito que isole eletricamente o tiristor e seu circuito de controle e os mantenha acoplados. A isolação e o acoplamento podem ser feitos por: • Acopladores Magnéticos: transformadores de pulso (pulse transformers) • Acopladores Ópticos: opto-acopladores (opto-couplers) Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 36 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC 18.1. Acoplamento Magnético O isolamento elétrico e o acoplamento magnético é feito através de Transformadores de Pulso. Os transformadores de pulso têm a vantagem de proporcionar um circuito de controle simplificado e isolado eletricamente do circuito de potência, evitando disparos indesejáveis gerados por realimentação do circuito de potência para o comando. Transferem os pulsos com baixas perdas, pequenas dimensões e enrolamentos isolados. Construtivamente, os transformadores de pulso são semelhantes aos transformadores comuns: possuem dois (ou mais) enrolamentos eletricamente isolados. A diferença é que o núcleo é de ferrite e a relação de transformação geralmente é de 1:1 ou de 1:2. A figura 18.1. apresenta um circuito para acoplamento magnético. Quando um pulso é aplicado à base do transistor chaveador Q1, este satura e a tensão Vcc é aplicada ao primário do transformador de pulso induzindo uma tensão pulsada no secundário que é aplicada entre o gatilho e o cátodo do SCR. Quando o pulso for removido, Q1 corta e uma tensão de polaridade oposta é induzida no primário. O diodo DRL (diodo de roda livre) conduz para desmagnetizar o transformador de pulso. Durante este processo uma tensão reversa correspondente é induzida no secundário. Um capacitor para aumentar a largura do pulso pode ser ligado em paralelo com R1. O núcleo do transformador de pulso saturará devido à corrente CC aplicada. Portanto, esse tipo de acoplamento é adequado para pulsos de 50 a 110µs, tipicamente. Figura 18.1 – Circuito para Acoplamento Magnético 18.2. Acoplamento Óptico Os acopladores ópticos foram desenvolvidos na década de 70 com a finalidade de acoplar e isolar circuitos que operam com diferentes níveis de potência. Consistem de uma fonte de radiação (luz), o foto-emissor, e de um elemento foto-sensor (foto-receptor), com alta sensibilidade na faixa de freqüência da radiação emitida. A luz é acoplada ao sensor através de um material isolante transparente ao através do ar. Um circuito gerador de pulsos é ligado no foto-emissor do opto-acoplador, geralmente um LED, que disparará o foto-receptor, que pode ser um foto-transistor, um foto-diodo, um foto-SCR, um foto-DIAC, etc. Esse tipo de acoplamento requer uma fonte auxiliar Vcc para alimentar o opto-acoplador, o que aumenta o volume, peso e custo do circuito. A figura 18.2 apresenta um circuito para o acoplamento óptico a partir de uma fonte VCC. A figura 18.3 apresenta o acoplamento óptico a partir da própria fonte do circuito de potência VCA. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 37 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Optoacoplador Figura 18.2 – Acoplamento óptico com fonte VCC dedicada Optoacoplador Figura 18.3 – Acoplamento Óptico a partir da fonte VCA 18.3. Proteção do Gatilho Os circuitos de disparo e os acopladores devem ser conectados aos gatilhos dos SCR através de um ou mais componentes de proteção, cada qual com sua função, como indica a figura 18.4. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 40 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC Rcarga = 10Ω a) Explique sua conexão e funcionamento. b) Desenhe os esquemas para conectar quatro SCR em série e em paralelo. Quais as vantagens? P.16. Descreva os circuitos de disparo; P.17. Descreva os circuitos de comutação; P.18. O que é tempo de desligamento de um SCR? P.19. Em um teste com multímetro, quais as condições que um SCR pode estar defeituoso? Porque? P.20. Quais os tipos de proteção adequados para um SCR? P.21. Considerando o circuito de fase com SCR da figura 16.1, onde RGK=1,5kΩ, a carga é uma lâmpada de 220V/100W e o SCR é o TIC116D: a) calcule R1 e R2 para os seguintes ângulos de disparo do SCR: 5; 20; 45; 60; 90 e 150 graus; b) simule em computador para obter as formas de onda das tensões na lâmpada para cada ângulo de disparo do SCR; c) calcule a tensão média e eficaz, bem como a potência média na lâmpada, para cada ângulo de disparo do SCR (considere que a lâmpada mantém a sua resistência nominal) Dados: TIC 116 D IGK = 5mA (min) e 20mA (máx) VGK = 1,5V P.22. Em que condições de teste um transistor unijunção apresenta defeito? P.23. Explique como e porque se pode controlar a freqüência de um oscilador de relaxação com transistor unijunção. P.24. Como se pode sincronizar os circuitos de disparo com sinais pulsados para se fazer o controle de fase adequado? Para obter mais problemas sobre este assunto ou esclarecer alguma dúvida, fale com o professor ou consulte: http://www.cefetsc.edu.br/mussoi Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 41 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC 20. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] VILLAÇA, M.V.M. e RANGEL, P.R.T.; “Eletrônica de Potência”, Volumes 1 e 2, apostila, CEFET/SC, Florianópolis, 199x. [2] RASHID, M.H.; “Eletrônica de Potência – Circuitos, Dispositivos e Aplicações”, Makron Books, São Paulo, 1999. [3] AEGIS SEMICONDUTORES; Página oficial do fabricante na Internet: http://www.aegis.com.br [4] ALMEIDA, J.L.A.; “Dispositivos Semicondutores: Tiristores – Controle de Potência em CC e CA”, Coleção Estude e Use, Série Eletrônica Analógica, Editora Érica, São Paulo, 1996. [5] AHMED, A.; “Eletrônica de Potência”, Prentice Hall, São Paulo, 2000. [6] ANDRADE, E.A.; “Eletrônica Industrial – Análise de Dispositivos e suas Aplicações’, 1a edição, Editora CEFET/BA, Salvador, 1996. Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 42 Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC ANEXOS: A.1. VALOR NOMINAL MÁXIMO EFICAZ DA CORRENTE DE ÂNODO REPETITIVA A corrente de ânodo máxima que um SCR pode suportar depende da temperatura máxima da junção do semicondutor (TJ). Essa temperatura não pode ser excedida. Medir TJ não é fácil, mas podemos medir e controlar as tensões e correntes do SCR que contribuem para o aumento de TJ. A maior contribuinte é a corrente eficaz repetitiva IT(RMS). A corrente eficaz (RMS, Root Mean Square) é o valor usado para rotular o SCR pois diz respeito à dissipação de calor. Já a corrente média IT(AVG) diz respeito ao acionamento da carga. A corrente média é igual à corrente eficaz em circuitos de corrente contínua puros. Entretanto, o valor médio é menor que o eficaz para outras formas de onda. Para senóides puras o valor eficaz é dado pela relação: 2 pico eficaz I I = Determinar o valor eficaz de uma forma de onda não senoidal não é tarefa fácil. Podemos simplificar os cálculos fazendo uma aproximação da forma de onda não senoidal a uma forma de onda retangular cuja altura seja igual ao valor de pico e cuja largura seja igual à duração do pico, como mostra a figura 18.1. O valor eficaz resultante será maior, mas proporcionará um bom fator de segurança. I Imáx t0 t T I Imáx t0 t T γ γ Ângulo (o) Ângulo (o) 180o 180o 0o 0o Figura 18.1 – Aproximação da forma de onda real Assim: T tI I picoeficaz 0 2 ⋅ = T tI I picomédio 0⋅= Podemos então definir Fator de Forma (FF) como sendo a relação do valor eficaz pelo valor médio: