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Exemplo 3

Na fig. 1.5c, a tensão no capacitor é ligeiramente maior do que 9V e a tensão no diodo é de 0,7V. Neste exemplo, qual a corrente através do resistor de 100Ω?

Solução

A tensão através do resistor de 100Ω é a diferença entre a tensão no capacitor e a tensão no diodo:

Portanto, a lei de Ohm dá

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10 Eletrônica de Potência

1.2 O retificador controlador de silício

O retificador controlador de silício (SCR – Silicon Controlled Rectifier) é mais útil que um diodo de quatro camadas porque ele tem um terminal extra conectado à base da seção npn, como mostrado na fig. 1.6a. Novamente, você pode imaginar as quatro regiões dopadas separadas em dois transistores, como mostrado na fig. 1.6d. sempre que você vir isso, lembre-se de que ele é equivalente a uma trava com uma entrada de disparo.

Disparo pela porta

A porta de um SCR é aproximadamente equivalente a um diodo (veja a fig. 1.6c). por essa razão, ela precisa de pelo menos 0,7V para disparar um SCR. Além disso, para que a realimentação positiva seja iniciada, uma corrente mínima de entrada é necessária. As folhas de dados de um 2N4441 nos dá uma tensão de disparo típica de 0,75V e uma corrente de disparo de 10mA em 0,75V, caso contrário o SCR não fechará a trava.

Quando um SCR está conduzindo, ele tem uma baixa queda de tensão. Por exemplo, um 2N4441 tem uma queda de tensão de 1V quando ligado. Para abrir um SCR, a operação é similar àquela para o diodo de quatro camadas. Você tem de diminuir a corrente do SCR para um valor menor do que a corrente de manutenção dele. Por exemplo, o 2N4441 tem uma corrente de manutenção e 6 mA. Então, ele subitamente parará de conduzir e irá tornar-se um circuito aberto.

Fig. 1.6 Retificador controlador de silício.

Tensão de bloqueio

Os SCRs não são construídos para operar com avalanche direta. As tensões de avalanche direta se situam na faixa de cerca de 50V a mais que 2.500V, dependendo do tipo do SCR. A maioria dos SCRs é projetada para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Em outras palavras, um SCR permanece aberto até que um disparo acione a sua porta (fig. 1.6d). Então, o SCR trava e permanece fechado, mesmo que o disparo desapareça. A única forma de abrir um SCR é por meio de um desligamento por baixa corrente.

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Tiristores 1

A maioria das pessoas pensa que o SCR é um dispositivo que bloqueia a tensão até que o disparo o feche. Por essa razão, a tensão de avalanche direta é muitas vezes chamada tensão de bloqueio direta nas folhas de dados. Por exemplo, o 2N4441 pode conduzir até 8A continuamente. A sua corrente de disparo é de 10mA, e esta também é a sua corrente de manutenção. Isso significa que você precisa alimentar a porta com pelo menos 10mA para controlar até 8A de corrente de anodo. (O anodo e o catodo são mostrados na fig. 1.6d). Como outro exemplo, o C701 é um SCR que pode conduzir até 1.250A com uma corrente de disparo e de manutenção de 500mA.

Taxa crítica de elevação

Em muitas aplicações, é usada uma tensão ca de alimentação com o SCR.

Fazendo o disparo por meio da porta num certo ponto do ciclo, podemos controlar uma grande quantidade de potência ca para uma carga tal como um motor, um aquecedor ou qualquer outra. Devido às capacitâncias de junção internas ao SCR, é possível que uma tensão de alimentação que varie rapidamente dispare o SCR. Colocando de outra forma, se a taxa de elevação da tensão direta for suficientemente alta, a corrente de carga capacitiva pode iniciar a realimentação positiva.

Para evitar o disparo falso de um SCR, a taxa da variação da tensão no anodo não deve exceder à taxa de elevação de tensão fornecida pela folha de dados.

Por exemplo, um 2N4441 tem uma taxa crítica de elevação de sV50μ. Para evitar um disparo falso, a tensão do anodo não deve subir mais rápido do que isso. Um outro exemplo, o C701 tem uma taxa crítica de elevação de tensão de sV200μ. Para evitar um fechamento falso, a tensão do anodo não deve aumentar mais rapidamente do que esse valor.

Os transientes de chaveamento são as principais causas da taxa crítica de elevação da tensão ser ultrapassada. Uma forma de reduzir os efeitos dos transientes de chaveamento é com um amortecedor RC (RC snubber), mostrado na fig. 1.7a.

Se um transiente de chaveamento de alta velocidade aparecer na tensão de alimentação, a sua taxa de elevação de tensão no anodo depende da resistência de carga, bem como dos valores de R e C.

Os SCRs de maior capacidade também têm uma taxa crítica de elevação de corrente. Por exemplo, C701 tem uma taxa crítica de elevação de corrente de sA150μ. Se a corrente do anodo tentar subir mais rapidamente do que esse valor, o

SCR pode ser danificado. Incluindo um indutor em série, como mostrado na fig. 1.7b, você reduz a taxa de elevação de tensão.

Fig. 1.7 (a) Amortecedor RC; (b) o indutor protege o SCR. Profº Clayton

12 Eletrônica de Potência Corrente de disparo e tensão de disparo

Um SCR como o da fig. 1.8 tem uma tensão de porta . Quando essa tensão de porta estiver próxima de 0,7V, o SCR irá ligar-se e a tensão de saída cairá de para um valor baixo. Quando um resistor de porta é usado como mostrado aqui, você pode calcular a tensão de entrada necessária para disparar um SCR usando esta equação:

GTTentRIVV+= (1.2)

Nessa equação, e são a tensão de disparo e a corrente de disparo, respectivamente, necessárias para a porta do dispositivo. Você encontrará essas informações nas folhas de dados. Por exemplo, a folha de dados de um 2N4441 fornece e . Quando você tem o valor de , o cálculo de

é simples. Algumas vezes não é usado o resistor de porta. Nesses casos, é a resistência Thevenin do circuito que aciona a porta. A menos que a equação 1.2 seja satisfeita, o SCR não pode ser ligado.

Após o SCR ser ligado, ele permanece assim mesmo que você reduza a zero. Nesse caso, a tensão de saída permanece indefinidamente baixa. O único modo de iniciar o SCR é reduzindo a sua corrente a um valor menor do que a corrente de manutenção. Uma forma de fazer isso é abrindo RC. Uma outra forma é reduzindo a um valor baixo. Existem outros modos de desligar o SCR que serão discutidos mais tarde.

entV CCV

Fig. 1.8 Circuito SCR.

Protetor de carga com SCR (crowbar)

Se alguma coisa acontecer internamente à fonte de alimentação provocando uma elevação na tensão de saída, o resultado pode ser devastador. Por quê? Porque algumas cargas como CIs caros não podem resistir a tensões de alimentação

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Tiristores 13 excessivas sem ser destruídos. Uma das mais importantes aplicações do SCR é proteger cargas delicadas e caras contra sobretensões da fonte de alimentação.

A fig. 1.9 mostra uma fonte de alimentação positiva aplicada a uma carga protegida por um diodo Zener, um resistor e um SCR. Sob condições normais, é menor que a tensão de ruptura do diodo Zener. Neste caso, não há tensão através de R, e o SCR permanece aberto. A carga recebe uma tensão de e tudo anda bem.

Agora, considere que a tensão da fonte de alimentação aumente por algum motivo qualquer. Quando é muito grande, o diodo Zener conduz e aparece uma tensão através de R. Se essa tensão é maior do que a tensão de disparo do SCR (tipicamente 0,7V), o SCR liga e conduz intensamente. A operação é similar a colocar uma alavanca (curto-circuito) através dos terminais da carga. Como o SCR entra rapidamente em condução (1µs para um 2N4441), a carga é rapidamente protegida contra os efeitos de destruição de um alto valor de sobretensão.

Embora seja uma forma drástica de proteção, esse processo de proteção é necessário para vários CIs digitais, pois eles não suportam um valor alto de sobretensão. Portanto, em vez de destruir CIs caros, podemos usar uma alavanca SCR para curto-circuitar os terminais da carga ao primeiro indício de sobretensão. As fontes de alimentação com uma alavanca SCR precisam de um fusível ou uma limitação de corrente para evitar uma corrente excessiva quando o SCR fecha.

Fig. 1.9 SCR alavanca.

A alavanca da fig. 1.9 é um projeto popular. Ela é adequada para várias aplicações, contanto que os componentes tenham baixas tolerâncias. Circuitos de alavanca mais avançados incluem transistores para melhorar a operação de fechamento do SCR. De fato, CIs especiais, tais como a série RCA SK9345, são CIs dedicados, alavancas prontas para uso. Essas alavancas em CIs contêm um diodo Zener, um par de transistores em um SCR. A propósito, não há um resistor de porta separado na fig. 1.9 como mostrado na fig. 1.8. Nesse caso, e são interpretados como e , respectivamente, do circuito visto pela porta do SCR. Qual a resistência de Thevenin na fig. 1.9? olhando para trás a partir da porta você vê a resistência Zener em paralelo com R. Em um projeto típico, a resistência Thevenin é pequena. Isso significa que a tensão equivalente de entrada necessária para disparar o SCR é apenas ligeiramente maior do que 0,7V.

entV GR THV THR

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14 Eletrônica de Potência

Exemplo 1.4

O SCR da fig. 1.10 tem V75,0VT=, mA7IT= e . Qual a tensão de saída quando o SCR está desligado? Qual a tensão de entrada que dispara o

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