(Parte 2 de 4)

Em circuitos de corrente alternada a corrente passa por zero em algum momento do ciclo.

Isso já é suficiente para o bloqueio do SCR em freqüências comerciais (50 ou 60Hz). A Figura 7.1 apresenta um circuito em que ocorre a Comutação Natural. Fechada a chave Ch1 e pulsando a chave Ch2 o SCR entra em condução e permanece até que o momento em que a corrente passe por zero no ciclo alternado. Nesse momento IA < IH e o SCR bloqueia.

Figura 7.1 – Circuito para comutação natural do SCR

7.2. Comutação Forçada:

Em circuitos de corrente contínua a tensão permanece positiva no ânodo. Como a corrente não diminui naturalmente, deve-se provocar a redução da Corrente de Ânodo através da Comutação Forçada. Há duas formas para isso:

• Desviando-se a corrente por um caminho de menor impedância provocando IA < IH; • Aplicando-se tensão reversa e forçando-se a operação na região de polarização reversa. Note que isso também fará IA < IH. A Figura 7.2 apresenta um circuito para Comutação Forçada onde a chave Ch1 permitirá um caminho que drenará a corrente do SCR levando-o ao bloqueio.

Figura 7.2. –Comutação forçada por chave

A Figura 7.3 apresenta um circuito para Comutação Forçada através de um capacitor.

Quando a chave Ch1 for fechada, o capacitor aplicará tensão reversa levando o SCR ao bloqueio. Devemos lembrar que o SCR deverá conduzir durante o tempo necessário para que o capacitor

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Prof. Corradi 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.corradi.junior.nom.br

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)

VDRM 1

3 2 VRRM

IAmáx

Tensões VAK para diferentes correntes de

Gatilho IGK

Figura 8.1 – Características estáticas reais do SCR. [ref. 1]

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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]

•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

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•Degrau de Tensão Admissível (dV/dt) 200V/µs •Degrau de Corrente Admissível (dI/dt) 150A/µs

•Corrente de Retenção (IL)200mA
•Corrente de Fuga (IF)10mA

•Corrente de Manutenção (IH) 100mA

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.

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Prof. Corradi td tr ton

Figura 9.2 - Representação do atraso no disparo do SCR. [ref. 1]

9.2. Características Dinâmicas no Bloqueio:

Para o estudo da dinâmica de bloqueio utilizamos o circuito da Figura 9.3, que acrescenta uma fonte de tensão reversa Vr e a chave Ch2 ao circuito da Figura X. O indutor Lp representa uma indutância parasita que influencia no decaimento da corrente do SCR.

Figura 9.3 – Circuito para estudo do bloqueio do SCR

Enquanto o SCR conduz a corrente de carga, a chave Ch2 encontra-se aberta. Quando, em t = t0 , a chave Ch2 é fechada, inicia-se o processo de bloqueio do SCR. No instante t = t1, a chave Ch2 é novamente aberta e o SCR encontra-se bloqueado.

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Podemos observar o processo dinâmico de bloqueio do SCR pela Figura 9.4. Após o tempo de recuperação do SCR trr, para que o SCR possa bloquear efetivamente é necessário manter a tensão reversa por um tempo igual ou maior do que tq. Isto é necessário para que o SCR possa alcançar o equilíbrio térmico e permanecer bloqueado até ser aplicada corrente em seu gatilho. A corrente reversa máxima (IRM) tem valor limitado e que depende das características do SCR e do circuito.

O tempo tq varia desde 5 µs para os SCR rápidos (SCR Inversores) até 50 a 400 µs para os SCR lentos (SCR Controladores de Fase).

Portanto, a freqüência de operação, ou velocidade de chaveamento requerida num circuito definirá o tipo de SCR a ser utilizado. Os fabricantes fornecem os valores nominais associados à velocidade através da freqüência máxima fmax bem como os tempos de ligação ton e de desligamento tq ou toff.

vAK trr t t ts tf

EO tq tinv to E1

Figura 9.4 - Característica dinâmica de bloqueio do SCR, mostrando o tempo mínimo de aplicação de tensão inversa tq. [ref. 1]

10. PERDAS TÉRMICAS EM CONDUÇÃO:

Durante o ciclo de chaveamento, um SCR apresenta as seguintes perdas de potência (e, conseqüentemente de energia):

• Perdas de Potência em Condução

• Perdas de Potência em Bloqueio (direto e reverso)

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• 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

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:

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.

1. 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 1.1.

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.

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Conexão Resistência Condição ALTA BOM

Figura 1.1 – 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).

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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.

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 VLP≥

Onde: L – indutância (µH0

(di/dt)max – degrau de corrente máximo admissível (A/µs) VP – tensão de pico (V)

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.

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Quando o SCR for acionado, o capacitor descarregará e sua corrente se somará ao di/dt apresentado pelo circuito original. Portanto, uma resistência RS deve ser colocada em série com o capacitor para amortecer a descarga e limitar a corrente transitória no disparo.

Para um determinado degrau de tensão, os componentes do circuito Snubber podem ser calculados pela equação:

() maxarg dtdvR

VC ac

A equação abaixo fornece o valor mínimo para RS:

() maxdt

Para aumentar a eficiência do Snubber, um diodo DS pode ser ligado em paralelo com RS.

Quando o dv/dt for grande, o diodo curto-circuitará RS, mas quando o di/dt for grande, o diodo estará desligado.

Figura 12.1 – Circuito Snubber

12.3. Proteção contra Sobretensão

As sobretensões geralmente são causadas por distúrbios no chaveamento devidos à energia armazenada em componentes indutivos. A sobretensão transitória resultante pode exceder os limites de tensão do SCR podendo causar disparo intempestivo ou queimá-lo por ruptura reversa. Algumas maneiras de proteger um SCR contra sobretensão:

• Diodo em série com o SCR: para que ambos os componentes compartilhem a tensão inversa. Devido à queda de tensão no diodo, este método pode introduzir perdas de potência significativas em certos circuitos.

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