Aula. SCRs. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica de Potência

(1)

Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng.

Aula

SCRs

1 Eletrônica de Potência

(2)

• Histórico

• Estrutura interna

• Simbologias

• Circuito elétrico equivalente

• Circuitos de polarização

• Testes práticos

• Comparativo com relés

• Dados técnicos (datasheet)

• Aplicações em CC e CA

Plano de Aula

2

(3)

SCR- INTRODUÇÃO

3

(4)

• Silicon Controlled Rectifier – Retificador Controlado de Silício

• Idealizado e fabricado em 1957

• Dispositivo de três terminais (ânodo, cátodo e gate) e quatro camadas PNPN

• Opera exclusivamente como chave: ligada ou desligada

SCR - Introdução

Figura. Simbologia SCR (normas DIN e ABNT) 4

Veja que o símbolo do SCR parece o de um diodo

(5)

• Dispositivo unidirecional → Conduz em apenas um sentido

• Funcionamento biestável (ligado ou desligado)

• O termo tiristor vem do termo grego thyr (porta)

• Engloba uma família de dispositivos semicondutores de multicamadas que opera em regime de chaveamento, os quais têm em comum uma estrutura de, no mínimo, quatro camadas semicondutoras em uma sequência P-N-P-N (três junções semicondutoras)

• Aplicações → Controle de grandes potências e Soft-starters

SCR - Introdução

5

(6)

SCR- ASPECTO FÍSICO

6

(7)

SCR – Aspecto físico

7

Figura. SCR de baixa

potência Figura. SCR de rosca

Figura. SCR de rosca

Figura. SCR de disco

Uma das vantagens do SCR de disco é a capacidade de instalar dissipadores em ambos os lados Nos SCRs de rosca, o

ânodo é normalmente rosqueado

O cátodo de disparo é interligado internamente ao

cátodo de potência

(8)

SCR- ESTRUTURA INTERNA

8

(9)

• Constituído de quatro camas PNPN → gate é conectado a uma pastilha do tipo P

SCR – Estrutura Interna

9

Figura. Estrutura interna do SCR

(10)

SCR- CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE

10

(11)

SCR – Circuito Elétrico Equivalente

11

Figura. Circuito equivalente com

diodos Figura. Circuito equivalente com

transistores

(12)

SCR- POLARIZAÇÃO

12

(13)

• Polarização direta (Va > Vk) e gate aberto

• O SCR só disparará (entrar em condução) caso a tensão entre ânodo-cátodo seja superior a tensão de BREAKOVER

• Este tipo de polarização não é muito utilizada pois requer uma tensão bastante elevada para que o SCR dispare

• Vak fica em entre 0,7 a 2V durante a condução

SCR - Polarização

13

AK → anodo-catodo KA → catodo-anodo

(14)

• Polarização reversa (Va < Vk) e gate aberto

• O SCR reversamente polarizado só disparará caso Vka for superior a tensão de BREAKDOWN (ou tensão reversa máxima)

• Esse método de disparo também deve ser evitado para não danificar o SCR

SCR - Polarização

14

Efeito avalanche

(15)

• Polarização direta (Va > Vk) e gate-cátodo polarizado

• O SCR dispara quando a corrente injetada no gate é superior a Igmin

• O gate consegue apenas ligar o SCR, não desligar

SCR - Polarização

15

Figura. Polarização direta ânodo-cátodo e gate-cátodo

(16)

• Polarização direta (Va > Vk) e gate-cátodo polarizado

• Após o disparo, pode-se retirar o sinal do gate e o SCR continua conduzindo caso a corrente no ânodo seja maior que a corrente IL (latching current – corrente de engatamento)

• Quando o SCR “engata”, pode-se retirar a corrente no gate que o mesmo continua em condução

SCR - Polarização

16

(17)

• Considerando o circuito equivalente a transistores

• Limitação do modelo a transistores: 𝐼𝐶₂ = 𝐼𝐵₁ e 𝐼𝐶₁ = 𝐼𝐵₂

• IB dos transistores é baixa, limitando IC

SCR - Polarização

17

Positive Feedback!

(18)

• No circuito equivalente a transistor pode-se verificar que:

• A corrente no gate faz com que T2 conduza

• T2 conduzindo, força que T1 conduza

• Com T1 conduzindo, faz com que T2 conduza, e assim sucessivamente

• Isso é chamado de realimentação positiva (positive feedback)

SCR - Polarização

18

(19)

• Valores típicos de tensão e corrente no gate

SCR - Polarização

19

(20)

• Processo de condução: ponto de vista do material

SCR - Polarização

20

(21)

SCR - Polarização

21

+ + + + +

- - - - -

+ + + + +

J1 e J3 diretamente polarizadas + → fortemente dopados

(22)

SCR - Polarização

22

+ + + + +

- - - - -

+ + + + +

Camada P da porta é muito estreita:

parte dos elétrons que cruzam J3 possuem energia cinética (0.5*m*V²) suficiente para vencer a barreira de potencial em J2

Elétrons acelerados

(23)

SCR - Polarização

23

- - - - -

+ + + + +

Camada P da porta é muito estreita:

parte dos elétrons que cruzam J3 possuem energia cinética (0.5*m*V²) suficiente para vencer a barreira de potencial em J2

Elétrons acelerados

- - - - - -

- - - - -

- - - -

- - - - - +

+ + + +

- - - - -

(24)

SCR - Polarização

24

+ + + + +

- - - - -

+ + + + +

Condução de corrente elétrica!

Fluxo de elétrons

- - - - - -

- - - - -

- - - -

- - - - - -

- - - -

- +

+ + + +

+ + + + +

+

Fluxo de lacunas

- - - - -

-

(25)

• IH ≠ IL

• IH (Holding current: corrente de manutenção) – Corrente mínima que o SCR precisa para conduzir

• IL (Latching current: corrente de engatamento) – Corrente mínima que o SCR precisa para ficar engatado

• Quando o SCR está engatado pode-se retirar o sinal no gate que o mesmo continua disparado

SCR - Polarização

25

(26)

• Polarização reversa (Vk > Va) e gate-cátodo

• Como está reversamente polarizado, o SCR não disparará

• Caso a tensão reversa máxima no gate seja ultrapassada, esta junção será danificada

• O mesmo também poderá ser danificado caso Vka seja maior que a tensão de BREAKDOWN

SCR - Polarização

26

(27)

SCR- BLOQUEIO

27

(28)

SCR – Bloqueio

28

• Embora seja simples fazer com que o SCR entre em condução, o mesmo não acontece para o seu modo desligado (bloqueio)

• Existem duas formas de desligar o SCR:

1. Comutação natural 2. Comutação forçada

(29)

SCR – Bloqueio

29

• Comutação Natural

• Caso a corrente que flui entre ânodo e cátodo seja inferior a corrente de manutenção, o SCR deixa de conduzir

• Isso acontece em circuitos AC, onde a corrente passa por zero duas vezes a cada ciclo

• Conhecida também como comutação de rede

(30)

• Comutação Forçada

• Interrompe a corrente anódica (Iak)

• Retira a polarização direta

SCR - Bloqueio

30

(31)

SCR – Bloqueio

31

• Comutação Forçada

• Circuitos DC onde não é possível a reversão da corrente de anodo

• Deve-se oferecer um caminho alternativo para a corrente, enquanto se aplica uma tensão reversa sobre o SCR

• Normalmente é utilizado um capacitor carregado previamente com uma tensão reversa

• No instante desejado para o corte, coloca-se o capacitor em paralelo com o SCR, polarizando-o reversamente

(32)

SCR – Bloqueio

32

Figura. Comutação forçada no SCR

Figura. CH1 fecha, CH2 abre, SCR conduz, carrega o capacitor

Figura. CH1 abre, CH2 fecha, SCR para de conduzir devido a tensão reversa aplicada Lâmpada acende

Lâmpada apaga

(33)

SCR- CARACTERÍSTICAS

33

(34)

SCR – Características

34

• Condições de disparo

• Condições de bloqueio

(35)

SCR- ETAPAS DO SCR

35

(36)

• Os circuitos contendo SCR podem ser divididos em duas etapas:

• Potência: local onde é conectado a carga do circuito (passagem de grande fluxo de corrente)

• Disparo: etapa de controle do funcionamento do SCR

• Baixo fluxo de corrente

SCR – Etapas do SCR

36

(37)

SCR- CURVAS CARACTERÍSTICAS

37

(38)

• ↑ IG → ↓Vbreakover

SCR – Curvas características

38

(39)

SCR – Curvas características

39

Comparativo das curvas características ideais do diodo e SCR, respectivamente

(40)

SCR- CARACTERÍSTICAS DE DISPARO

40

(41)

SCR – Características de disparo

41

• Os SCRs possuem os seguintes modos de disparo (condução):

1. Disparo por pulso de gatilho (desejável) 2. Disparo por sobretensão (indesejável)

3. Disparo por alta taxa de crescimento de tensão direta (∆Vak/∆t) (indesejável)

4. Disparo por temperatura (indesejável)

(42)

SCR – Características de disparo

42

• Disparo por pulso de gatilho

• Forma usual de disparo

• Conduz quando está diretamente polarizado (𝑉𝑎𝑘 > 0) e recebe um pulso de corrente no gate

(43)

SCR – Características de disparo

43

• Disparo por sobretensão

• Método raramente utilizado na prática

• Vak é muito elevada, o SCR pode passar a conduzir mesmo sem corrente no gate (breakover)

Figura. Disparo do SCR

(44)

SCR – Características de disparo

44

• Disparo por ↑ taxa de crescimento de tensão direta (∆Vak/∆t)

• Quando o SCR está diretamente polarizado e houver um elevado crescimento de Vak, o SCR pode entrar em condução sem haver corrente no gate

• Isso porque a capacitância da junção J2 pode fazer circular uma corrente (Ig = C ∆Vak/∆t) de gatilho grande o suficiente para disparar o SCR , devido à alta variação de tensão de ânodo e cátodo

(45)

SCR – Características de disparo

45

• Disparo por alta taxa de crescimento de tensão direta (∆Vak/∆t)

(46)

SCR – Características de disparo

46

+ + + + +

- - - - -

+ + + + +

Camada de depleção → Dielétrico 𝐼𝑗 = 𝐶𝑗2 ∗ ∆𝑉𝑎𝑘

∆𝑡

- -

- -

-

(47)

SCR – Características de disparo

47

• Por que é taxa de crescimento?

• A taxa de decrescimento forneceria uma corrente no sentido contrário, não engatando o SCR

• Por que é de tensão direta?

• O engatamento acontece apenas na polarização direta

• Inconveniente é mais visível em SCRs de alta potência

↑ 𝐶 = 𝑘 ∗↑ 𝐴 𝑑

(48)

SCR – Características de disparo

48

• Para controlar este problema, utiliza-se o circuito snubber

Figura. Circuito RC snubber

(49)

SCR – Características de disparo

49

• Para controlar este problema, utiliza-se o circuito snubber

Figura. Circuito RC snubber Sinal de ↑ freq.

Sinal de ↑ freq.

Sinal de ↓ freq.

Sinal de ↑ freq.

Filtro passa baixa

(50)

SCR – Características de disparo

50

• Disparo por alta temperatura

• A corrente de fuga numa junção p-n reversamente polarizada pode assumir valor suficiente elevado para que leve o tiristor ao estado de condução

• Para evitar este disparo, utilizam-se dissipadores de calor evitando o aumento excessivo de temperatura

Corrente de fuga devido ao aparecimento de portadores

minoritários na junção PN criados a partir do efeito Joule

(51)

SCR- TESTES PRÁTICOS DO SCR

51

(52)

• Na prática pode-se encontrar três situações:

1. SCR normal

2. SCR com resistor interno gate-cátodo (RGC) 3. SCR disparado por ruído

SCR – Teste Prático do SCR

52

(53)

• SCR normal

• Não está disparado por ruído

• Não possui resistor gate-cátodo

• Apresenta apenas uma resistência baixa na junção gate (+) e cátodo (-)

SCR – Teste Prático do SCR

53

(54)

• SCR com RGC

• Objetivo do RGC é evitar o disparo por ruído

• Na prática, se encontrará duas resistências baixas entre gate-cátodo

SCR – Teste Prático do SCR

54

(55)

• SCR disparado por ruído

• São encontradas duas resistências baixas:

• Gate-cátodo

• Ânodo-cátodo

• O terminal de cátodo é o terminal comum entre as duas resistências baixas

SCR – Teste Prático do SCR

56

(56)

• SCR disparado por ruído

• Deve-se fechar um curto entre o cátodo (descoberto a priori) e o outro terminal

• Quando o SCR deixar de ter uma baixa resistência entre o cátodo e o terminal que sobrou, foi feito um curto entre o cátodo e o gate

• Dessa forma, identifica-se o gate

• O que sobrar, é o ânodo

SCR – Teste Prático do SCR

57

(57)

SCR- COMPARATIVO COM RELÉS

58

(58)

• Vantagens:

• Inexistência de partes móveis

• Não há contatos mecânicos que precisam ser limpos

• Não há molas que precisam ser trocadas

• Não há partes metálicas sujeitas à corrosão

• Não há perigo de centelhamento

• Elevada velocidade de comutação

SCR – Comparativo com Relés

59

(59)

• Desvantagens:

• Apresenta uma queda de tensão entre seus terminais (quando está conduzindo) entre 0,7 a 2V

• Cada SCR apresenta apenas um contato, enquanto o relé pode ter mais de um contato

• Necessário um circuito especial para desligá-lo

SCR – Comparativo com Relés

60

(60)

SCR- DATASHEET

61

(61)

SCR- Datasheet

62

(62)

SCR - Datasheet

63

(63)

SCR - Datasheet

64

(64)

SCR - Datasheet

65

(65)

SCR – Dados Técnicos

66

(66)

SCR – Dados Técnicos

67

Engatamento

(67)

SCR- APLICAÇÕES (DC)

68

(68)

• Exemplo 01 – Circuito acionado na ausência de luz

• O LDR (Light Dependent Resistor ou resistor dependente de luz ou fotoresistência) varia sua resistência de acordo com a incidência de luz

• Quanto maior a incidência de luz, menor a resistência do LDR

SCR – Aplicações em CC

69

Quanto maior a resistência do LDR

(menos luz), mais corrente vai pro gate, disparando o SCR, acendendo a luz

(69)

• Exemplo 02 – Circuito de proteção contra sobretensões (SCR Crowbar)

• Em uma situação normal, a tensão de rede é menor que a tensão de ruptura do Zener

SCR – Aplicações em CC

Figura. Circuito de proteção contra sobretensões 70

(70)

• Caso a tensão da rede seja muito grande, o zener entra em sua região de ruptura e uma tensão é aplicada ao gate do SCR, levando-o a condução (em menos de 1 us), protegendo a carga

SCR – Aplicações em CC

71

(71)

• Melhorar a sensibilidade do circuito:

SCR – Aplicações em CC

72

(72)

SCR- APLICAÇÕES (AC)

73

(73)

• Primeiramente, deve-se definir as seguintes variáveis:

• Ângulo de disparo (α): é o ângulo correspondente à tensão onde o tiristor dispara

• Ângulo de condução (β):

Corresponde a condução do SCR

SCR – Aplicações em CA

74

(74)

• Em corrente alternada, o valor da corrente de gate determina a tensão necessária entre anodo e catodo para o SCR disparar

• Quanto menor a IG, maior será a tensão entre anodo e catodo necessária para o disparo do SCR e vice-versa

SCR – Aplicações em CA

75

Figura. Circuito de controle de fase com controle da corrente no gate (α de 0 a 90º) P1 controla o nível de IG,

consequentemente, o valor necessário de Vak para que o SCR conduza

Evitar polarização reversa

(75)

SCR – Aplicações em CA

76

Figura. Formas de onda do circuito de controle de fase do SCR com αvariando de 0, 30º e 90º

Quando α = 0, a potência dissipada pela carga é 50%

Quando α = 90º, a potência dissipada pela carga é de 25%

(76)

SCR- EXERCÍCIOS

77

(77)

• 1) A tensão na rede é de 127 Vrms a 60 Hz. Qual o valor instantâneo da tensão de rede caso o SCR esteja projetado para possuir um ângulo de disparo de 30º. Desenhe a forma de onda na carga.

SCR – Exercícios

78

(78)

• 2) Determine a Vin necessária para disparar o SCR e a tensão da fonte de alimentação necessária para desligá-lo. Considere que Vak = 1V quando o SCR está em condução.

SCR – Exercícios

79

I_L = 11 mA

(79)

• 3) Calcule o maior valor de sobretensão que o circuito abaixo pode suportar sem acionar o SCR. Considere que o Zener possui uma tolerância de +- 5%

SCR – Exercícios

80

(80)

• 4) Quais são as semelhanças e diferenças básicas entre um diodo e um SCR, quando polarizados direta e reversamente?

• 5) Quais são as condições básicas para disparo de um SCR?

• 6) Quais são as condições para bloqueio de um SCR?

SCR – Exercícios

81

(81)

1. Eletrônica Industrial, Análise de dispositivos e suas aplicações - Edna A. Andrade - CEFET-BA

2. Eletrônica de Potência – Ashfaq Ahmed – Editora Prentice Hall 3. Eletrônica Industrial de Potência-José Luiz Antunes - Livros Érica

Editora

4. Eletrônica de Potência –Circuitos, dispositivos e aplicações – Muhammad H. Rashid. Editora Makron Books

Referências

82