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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

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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

• 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

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+ b)

Ânodo

Cátodo Gatilho

J2 J3 c)

Figura 3.1 – a) SCR bloqueado em polarização direta; b) analogia com diodos b) efeito da polarização direta nas junções;

4. POLARIZAÇÃO REVERSA:

A figura 4.1 apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar: • Tensão de Cátodo positiva em relação ao Ânodo

• J2 diretamente polarizada • J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

• Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Cátodo para Ânodo, IR (Reverse Current). • Bloqueio Reverso – DESLIGADO

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Ânodo

Cátodo Gatilho

J2 J3 c)

Figura 4.1 – a) SCR bloqueado em polarização reversa; b) analogia com diodos c) efeito da polarização reversa nas junções

5. MODOS DE DISPARO DE UM SCR:

Um SCR é disparado (entra em condução) quando aumenta a Corrente de Ânodo IA, através de uma das seguintes maneiras:

5.1. Corrente de Gatilho IGK:

É o procedimento normal de disparo do SCR. Quando estiver polarizado diretamente, a injeção de um sinal de corrente de gatilho para o cátodo (IG ou IGK), geralmente na forma de um pulso, leva o SCR ao estado de condução. A medida que aumenta a corrente de gatilho para cátodo, a tensão de bloqueio direta diminui até que o SCR passa ao estado de condução.

A Figura 5.1 apresenta um circuito para disparo do SCR. Enquanto diretamente polarizado o

SCR só começa a conduzir se receber um comando através de um sinal de corrente (geralmente um pulso) em seu terminal de gatilho (Gate ou Porta). Esse pulso polariza diretamente o “segundo diodo formado pelas camada N e P” e possibilita a condução.

Enquanto tivermos corrente entre ânodo e cátodo o SCR continua conduzindo, sendo ele cortado (bloqueado) somente quando a mesma for praticamente extinta. Nesta condição, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR precisará de um novo sinal de corrente no gatilho para voltar ao estado de condução.

Polarizado reversamente o SCR funciona como um diodo, bloqueando a passagem de corrente, mesmo quando efetuado um pulso em seu Gatilho.

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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.

Ânodo

Cátodo

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.

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:

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.

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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.

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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.

Ânodo

Cátodo iC

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).

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6. ANALOGIA COM 2 TRANSISTORES:

A figura 6.1 apresenta um circuito com dois transistores complementares (PNP e NPN) que permitem uma analogia ao funcionamento do SCR e demonstra a ação de retenção (travamento) devido à realimentação positiva no circuito

De uma maneira simplificada, com polarização direta, a injeção de um sinal de corrente no gatilho do circuito provoca um efeito de realimentação em que o aumento da corrente na base de Q2 aumenta a corrente de fuga no coletor de Q2 e da base de Q1 e, conseqüentemente, a corrente de coletor de Q1. Esta, por sua vez, realimenta a corrente de base de Q2 e assim sucessivamente até ambos os transistores entrarem em saturação.

Ânodo

Gatilho IA=IT

J2 P

N Cátodo IK

J2 J3

IGK IC1

IB1=IC2

IB2

Figura 6.1 – Modelo de um SCR com dois transistores complementares

Requisite ao professor material sobre Prática da Analogia do SCR com Transistores, ou consulte: http://www.cefetsc.edu.br/mussoi

7. BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR

O desligamento de um SCR é chamado de Bloqueio ou Comutação. O SCR é uma chave de retenção, ou seja, uma vez disparado e conduzindo, o gatilho perde o controle. A única forma de bloquear um SCR é reduzir a corrente de ânodo IA para um valor menor que o valor da corrente de manutenção IH durante um certo tempo. Este é o tempo necessário para o desligamento do

SCR, toff. Devemos portanto lembrar:

• Diodos e SCR’s somente bloqueiam quando praticamente é extinta a corrente entre ânodo-cátodo e não por aplicação de tensão reversa.

• Para um SCR comutar, ou seja, passar do estado de condução para o estado de não condução, também chamado de bloqueio, a Corrente de Ânodo IA deve ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manutenção IH, durante um certo tempo (tempo de desligamento tq). • O tempo de desligamento é da ordem de 50 a 100µs para os SCR normais e de 5 a

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