Tiristores - Aula 4 - Ricardo Pelisson

Notas de aula de Eletrônica de Potência - Rocardo Pelisson

Aula 4

CIRCUITOS DE DISPARO

REQUISITOS BÁSICOS PARA OS CIRCUITOS DE DISPARO

Os circuitos de disparo devem proporcionar ao SCR o sinal adequado e no instante desejado para que o componente entre em condução corretamente. São, portanto, requisitos fundamentais no projeto de um circuito de disparo de SCR:

a) O sinal de gatilho deverá ter amplitude adequada e tempo de subida suficientemente curto;
b) A largura do pulso de gatilho (o tempo de duração do pulso tG) deve ser maior que o tempo necessário para a corrente ânodo-cátodo passar o valor da corrente de retenção IL. Na prática: tG > ton.
c) Evitar ocorrência de disparos indesejados por sinais falsos ou ruídos;
d) O sinal de gatilho deve ser removido após o disparo. Sinal contínuo aumenta as perdas de potência, levando ao sobre-aquecimento o que reduz a vida útil do componente.
e) Quando reversamente polarizado é desaconselhável haver sinal de gatilho, pois o componente pode queimar pelo aumento da corrente de fuga reversa.
f) O controle deverá ser suficientemente preciso;
g) Em circuitos trifásicos, garantir a defasagem de 120o nos sinais dos gatilhos.
h) Em associações de SCR, garantir o acionamento simultâneo.

Basicamente, existem 3 tipos usuais de sinais de disparo:

Sinais CC;
Sinais AC.
Sinais Pulsados;

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 as figuras abaixo.

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.

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 SCR, propiciando o controle do ângulo de fase a onde o SCR dispara.
É o chamado CONTROLE DE FASE.
A figura abaixo 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.

Circuito de Disparo CA com Rede Defasadora RC

No circuito RC da figura abaixo a tensão no gatilho está atrasada da tensão de alimentação devido o capacitor e as resistências do resistor e do potenciômetro. O potenciômetro controla a defasagem e o tempo em que a tensão no capacitor leva para atingir o valor suficiente para disparar o SCR. O objetivo é atrasar a tensão que irá comandar o disparo do tiristor. A tensão de disparo ocorrerá mais tarde no semiciclo positivo.

Durante o semiciclo negativo o SCR se mantém em bloqueio reverso. O diodo em série com o gatilho garante a unidirecionalidade do sinal de disparo evitando assim, sinais no gatilho no semiciclo negativo.
A tensão de disparo, sobre o capacitor, está atrasada em relação à tensão da rede, por um ângulo f. O valor dessa defasagem depende da constante de tempo de carga do capacitor: t = R.C = (R1 + R2).C1.
Variando R2 varia o ângulo f e portanto varia também o ângulo de disparo a’ do SCR.
D1 garante que só haverá corrente no gatilho no semiciclo positivo, preservando o SCR.
D2 conduz no semiciclo negativo, carregando C1 com tensão negativa. Isso garante que no início de cada semiciclo positivo, o capacitor sempre esteja carregado com uma tensão fixa (negativa), mantendo a regularidade do disparo.

Circuito de Disparo CA com Diodo Schokley ou Diac

O Diodo Schokley é um componente semicondutor de quatro camadas (PNPN). Seu comportamento é de um SCR sem gatilho preparado para disparar por sobretensão direta. Ou seja, reversamente polarizado não conduz. Diretamente polarizado só entra em condução quando a tensão atingir um determinado valor, a chamada Tensão Schokley, como indica a sua curva característica na figura abaixo. Quando conduzindo sua tensão é bem menor que a tensão de disparo, como podemos observar na curva característica da figura abaixo.

Abaixo pode ser verificado 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.

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 t entre a tensão da rede e a tensão no capacitor, varia-se o ângulo de disparo a.

Tiristores - Aula 3 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula3
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.

Proteção contra Degrau de Corrente di/dt

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 (di/dt) e é expresso em Ampères por microssegundos (A/ms).
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:

Onde:

L – indutância (ìH0

(di/dt)max – degrau de corrente máximo admissível (A/ìs)

VP – tensão de pico (V)

Proteção contra Degrau de Tensão dv/dt

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.
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 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.

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.
• SCR com alto valor de tensão nominal: como margem de segurança, porém, isto pode implicar maiores custos.
• Circuito Snubber RC: em paralelo com a fonte geradora de sobretensão.
• Varistor (resistor não linear): em paralelo com o SCR, fornece um caminho de baixa resistência para o transitório de tensão.

Proteção contra Sobrecorrente

A sobrecorrente ocorre, em geral, por sobrecarga ou curto-circuito e o dispositivo de proteção deverá abrir o circuito antes do superaquecimento do SCR.
As proteções contra sobrecorrente mais usuais são:

• Fusíveis de Ação Rápida: escolhidos através do parâmetro I2t, relativo ao tempo do
  ação, fornecido em catálogos de SCR e de fusíveis.
• Disjuntores de Alta Velocidade.
• Relés de Sobrecorrente.
  
  

Proteção do Circuito de Disparo do Gatilho

O circuito de disparo do gatilho deve ser protegido contra transitórios de tensão e, preferencialmente, ser eletricamente isolado do circuito de alta potência que o SCR controla. Isso pode ser feito com Transformadores de Pulso e de Acopladores Ópticos (Opto-acopladores).

Tiristores - Aula 2 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula 2

Retificadores Controlados:

Para projetar um retificador controlado ou um retificador controlado por fase,é preciso substituir por SCRs (silicon controlled rectifiers - retificadores controlados de silício) os diodos do circuito do retificador não controlado. Esse novo circuito produz uma tensão de saída DC variável, cuja amplitude é obtida por meio de controle de fase, isto é, com o domínio do período de condução, variando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR.
Ao contrário do que ocorre com um diodo, um SCR não conduzirá,automaticamente, quando a tensão anodo-catodo ficar positiva - um pulso deverá ser aplicado ao Gate. Se o tempo de retardo do pulso no Gate for ajustado, e se esse processo for executado repetidamente, então as saídas dos retificadores poderão ser controladas. Essa técnica é denominada controle de fase.
Os retificadores controlados, ou conversores, são classificados em dois tipos:
Completamente controlado e semicontrolado. O completamente controlado, ou tipo dois-quadrantes, usa um SCR como dispositivo de retificação. A corrente DC é unidirecional, mas a tensão DC pode ter qualquer uma das duas polaridades. Com uma delas, o fluxo de potência vai da fonte AC para a carga DC, em um processo chamado retificação. Com a inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potêncía vai da fonte DC para a alimentação AC, em um método denominado inversão.
Se metade dos SCRs for substituída por diodos, o circuito passará a ser classificado como semicontrolado ou semiconversor, Esse circuito permite também que o valor médio da tensão ,de saída DC seja variado pelo controle de fase do SCR.
Entretanto, a polaridade da tensão de saída DC e a direção da corrente não podem
mudar, isto é, o fluxo de potência ocorre da fonte AC para a carga DC. Os Conversores desse tipo são também denominados conversores de um quadrante.
Os retificadores, controlados fornecem potência DC para várias aplicações , como controle de velocidade para motores DC, carregadores de baterias e transmissão DC em alta tensão. O controle de fase é usado para freqüências abaixo de 400 Hz ou, mais comumente, 60 Hz. A principal desvantagem do controle de fase é a interferência em radiofreqüência (radio frequency interference - RfI). A onda semi-senoidal cortada produz harmônicos de peso que interferem no rádio, na televisão e em outros equipamentos de comunicação.
Neste capitulo, estudaremos os retíflcadores controlados, desde a configuração mais
simples, o de meia-onda (raramente usado em aplicações de eletrônica de potência
por causa do alto conteúdo de tensão de ondulação na saída), até o circuito retificador com tape central e em ponte.

Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda:

Carga Resistiva:


A estrutura básica de um retificador monofásico controlado de meia onda alimentando uma carga resistiva é apresentado abaixo:

Neste circuito, somente os semiciclos positivos da fonte de alimentação, ou parte deles, serão aplicados na carga quando o SCR for disparado. Os semiciclos negativos são integralmente bloqueados.
O SCR é disparado por uma corrente IG em um ângulo α entre 0 e 180º , passando a conduzir e permitindo a aplicação de uma tensão na carga.
Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação, o SCR estará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de acionamento(disparo) for aplicado ao Gate. Se o SCH passar para o estado ligado em I", 'uma corrente Iluirá na carga e a tensão de saída Vo será igual à tensão de entrada. No tempo t = n, a corrente cai naturalmente a zero, urna vez que o SCR estará .inversamente polarizado. Durante o semiciclo negativo, o dispositivo bloqueará o fluxo de corrente e não haverá tensão na carga. O SCR ficará fora até que o sinal seja aplicado novamente na porta em (to + 21t). O período que vai de O a lu, na Figura 6.1b, representa o ternpono serniciclo positivo quando o SCR está desligado. Esse ângulo (medido em graus) é denominado ângulo de disparo ou ângulo de retardo (a). O SCR conduz ele to a 1t;esse ângulo é denominado ânglllo de colldução (8).
A tensão e corrente média na carga pode ser calculada pela equação:


A tensão média na carga é função do ângulo de disparo α. Ao variar-se α estamos variando automaticamente a tensão na carga.

Forma de onda

Para o cálculo da Tensão, Corrente eficaz e potência média na carga, empregam-se as expressões abaixo:

Para esta estrutura, as correntes que circulam na carga são as mesmas que circulam pelo SCR.
Para um dimensionamento correto é necessário o conhecimento da tensão reversa máxima e corrente máxima sobre o SCR.

Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V. Calcular:
a) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
b) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

c) Especifique um circuito de disparo que atenda às exigências mínimas de disparo.

As formas de onda de tensão no SCR para a = 45o e a =135o são apresentadas abaixo:

Carga Indutiva:

A maioria dos acionamentos industriais que empregam conversores estáticos contém cargas do tipo RL. Tais cargas apresentam um funcionamento típico devido a presença do indutor. Como sabemos, os indutores provocam um atraso na corrente elétrica devido ao fato de que estes constituem-se em elementos armazenadores de energia. Sempre que uma corrente percorre um indutor, parte da energia elétrica é transformada em energia magnética e fica retida (armazenada) sob forma de campo magnético no indutor. Quando deseja-se interromper a corrente é necessário que toda a energia armazenada pelo indutor seja evacuada pois, os indutores não possuem a capacidade de, quando desconectados do circuito (circuito aberto), reterem a energia que acumularam.
Então, quando se alimenta uma carga RL através de um retificador monofásico de meia onda, existirá sempre um atraso devido ao indutor forçar a circulação de corrente mesmo após o início do semiciclo negativo. Em conseqüência disto, o SCR não mais se bloqueia em ωt = p, ou seja, quando a tensão passa por zero e torna-se negativa. O SCR então permanece conduzindo enquanto a corrente de carga não se anula, permitindo tensões instantaneamente negativas sobre a carga e fazendo com que a tensão média diminua.
O diagrama de um circuito retificador monofásico de meia onda com carga Indutiva é mostrado abaixo:

As formas de onda na carga pode ser vista abaixo:

O SCR conduz então por um ângulo(Ângulo de Condução) γ = β - α,

onde β é o ângulo de extinção e π < β <>






A tensão e a corrente média na carga são dadas em função de a e de β pelas equações abaixo, onde Vo = Vef:

Observação: Devido ao indutor armazenar e evacuar a energia em cada ciclo de funcionamento, a tensão média sobre ele é nula. Por esta razão é que se pode calcular a corrente média sobre a carga de acordo com a expressão acima.

Para cálculo da corrente eficaz na carga utiliza-se a seguinte equação, onde Vo = Vef:




Onde: Ief é obtida em função do ângulo f e do ângulo a , através do gráfico abaixo:



Corrente Eficaz na carga (IRLef) em função de a para vários valores do ângulo de carga f.


Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz e a indutância é 26,5mH.
Calcular:
a) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
b) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

c) Especifique um circuito de disparo que atenda às exigências mínimas de disparo.

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa com derivação central ou Center Tape:

Carga Resistiva:


A estrutura do retificador monofásico de onda completa com ponto médio é apresentada na Fig. 2.35. Este retificador emprega obrigatoriamente um transformador , devido a necessidade de uma derivação central que possibilite manter a tensão positiva sobre a carga quando a tensão da fonte inverte seu sentido.

A estrutura apresenta duas seqüências de funcionamento. Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação o SCR T1 é responsável, após o disparo em um dado ângulo a, pela condução da corrente de carga (i1). Durante o semiciclo negativo, T1 bloqueia enquanto T2 será responsável, após o disparo em a + p, pela corrente de carga (i2). Podemos notar que ambas as correntes tem o mesmo sentido e, portanto, a corrente na carga será contínua. A figura 2.36 apresenta as formas de onda de tensão e corrente na carga para o retificador da figura 2.35.

Podemos calcular os valores de tensão e corrente média na carga através das seguintes expressões, onde V2 = Vef:

Para o cálculo da tensão e corrente eficaz na carga, empregam-se as expressões abaixo, onde V2 = Vef:

As componentes média e eficaz da corrente sobre cada SCR em função das correntes média e eficaz na carga são expressa por:

A tensão de pico sobre cada SCR é igual a soma das tensões de pico dos dois enrolamentos do secundário do transformador. O fato da tensão sobre cada diodo ser o dobro da tensão na carga constitui uma das desvantagens desta estrutura.

As formas de ondas do circuito são mostradas abaixo:




Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz. Calcular:
d) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
e) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V



Carga Indutiva:

Quando o retificador monofásico de onda completa alimenta carga indutiva, pode ocorrer condução contínua ou descontínua, dependendo dos valores de resistência e indutância de carga. Devido aos SCRs serem comandados com ângulos complementares (a e a + π ), quando a carga apresentar indutância, a corrente se manterá mesmo após os SCRs serem polarizados reversamente.

Desta forma, pode ocorrer três modos de condução:

# Descontínua - β < α + π .

# Crítica - β = α + π ( a indutância que provoca tal situação é dita indutância crítica);
# Contínua - β > α + π .
As formas de onda de corrente e tensão na carga para os modos contínuo e descontínuo são apresentadas, respectivamente, pela figura A abaixo.

Como a tensão média sobre o indutor é nula, pode-se calcular as componentes média de tensão e corrente na carga empregando-se as expressões:



A tensão eficaz na carga pode ser calculada por:

Exercício de fixação:

Em o circuito retificador controlado monofásico de meia onda, alimentando uma carga indutiva, o valor eficaz da tensão da fonte de alimentação é 100 V, a freqüência da tensão de alimentação é 60 hz e a indutância é 26,5mH.
Calcular:
f) Os valores médio e eficaz da corrente na carga , a potencia média na carga ,e desenhar as formas de onda da tensão na carga e no SCR para α = 45º e α =135º e R = 10 ohms.
g) Calcule a resistência térmica do dissipador a ser empregado para manter a temperatura da junção abaixo do limite especificado, considerando o dispositivo especificado abaixo:

TIRISTOR SRC modelo: SCR SKT 16/06 C (SEMIKRON)
TENSÃO REVERSA MÁXIMA (VRRM) 600V
TENSÃO DIRETA EM CONDUÇÃO (E0) 1,0V
RESISTÊNCIA EM CONDUÇÃO (rF) 20mΩ
CORRENTE MÉDIA (IDmed) 16A
CORRENTE DE DISPARO MÍNIMA (IG) 100mA
TENSÃO DE GATILHO (VG) 3,0V

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa em Ponte completa:

Neste retificador , pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para. o estado ligado ou para o desligado. A operação é similar à do circuito de Onda completa com terminal central discutido anteriormente. A tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo.
O retificador em ponte completa e suas duas seqüências de funcionamento são apresentados na figura abaixo. Como a ponte completa emprega quatro SCRs ela é também chamada de ponte totalmente controlada.


O retificador monofásico em ponte apresenta como vantagem sobre o de ponto médio, o fato de não necessitar de um transformador para o seu funcionamento. Porém, este tipo de retificador emprega quatro semicondutores, o que pode aumentar o custo da estrutura.
As tensões e correntes na carga são representadas pelas mesmas expressões estudadas no retificador monofásico controlados com center tape.
A tensão de pico sobre cada SCR é expressa por:

Retificador Monofásico Controlado de Onda Completa em Ponte Mista:

Um retificador monofásico Controlado de onda completa em Ponte Mista utiliza diodos e SCRs para sua construção.
As configurações possíveis são mostradas na figura abaixo:

A principal vantagem das pontes semi-controladas é o uso de apenas 2 tiristores, sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Neste circuito a tensão de saída, vo(t) pode assumir apenas valores (instantâneos e médios) positivos. Sempre que a tensão de saída tender a se inverter haverá um caminho interno que manterá esta tensão em zero, desconectando a carga da rede.
A ponte mista não apresenta a possibilidade de tensão negativa na carga.

Fotos do níver de WR

É na simplicidade que nos divertimos e

demonstramos que o verdadeiro valor da

amizade é tão enorme que nem

se unirmos todas as palavras de todas as

gramáticas existentes no universo conseguiriamos definí-lo.

Tiristores -Aula 1 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula 1

Tiristor

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa sequência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.
O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).

Princípio de funcionamento

O tiristor é formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente anódica. A figura 3.3 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo.
Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada. Não haverá condução de corrente até que a tensão Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2 [3.1].
Se houver uma tensão Vgk positiva, circulará uma corrente através de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construção, a camada P ligada à porta é suficientemente estreita para que parte destes elétrons que cruzam J3 possuam energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo.

Figura 3.3 Funcionamento básico do tiristor e seu símbolo.

Desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta.
Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. Uma vez que a junção J3 intermedia regiões de alta dopagem, ela não é capaz de bloquear tensões elevadas, de modo que cabe à junção J1 manter o estado de bloqueio do componente.

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 CC 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 CC), Inversores CC-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras.

Simbologia

Tipos de encapsulamento

Polarização Direta

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

Abaixo podemos ver um exemplo de polarização direta e uma analogia com diodos.

Polarização Reversa

# 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

Abaixo podemos ver um exemplo de polarização reversa e uma analogia com diodos.

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

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 catodo, a tensão de bloqueio direta diminui até que o SCR passa ao estado de condução.
A Figura X 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.

Fig. X Exemplo de circuito de disparo de um SCR

Como entre o gatilho e o cátodo há uma junção PN, temos uma tensão de proximadamente 0,7V. Desta forma, analisando o circuito da figura X abaixo, podemos determinar os requisitos para o circuito de disparo do SCR.



Assim, a tensão VDISPARO necessária para proporcionar a corrente de disparo IG através da resistência limitadora RG pode ser dada por:

Tensão de disparo que é igual a corrente do gate multiplicada pela resistência do gate somado a 0,7.
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 X abaixo. Em alguns tipos de SCR, a resistência RGK já vem internamente no componente para diminuir sua sensibilidade.

Figura X Característica estática do tiristor.

Figura X Condições para disparo de tiristor através de controle pela porta.

b) 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).

c) 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.

d) SobreTensão VAK

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.

c) Taxa de crescimento da tensão direta (Degrau de tensão dv/dt)

Quando reversamente polarizadas, a área de transição de uma junção comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tensão está aplicada sobre a junção J2 (quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada em função da capacitância da junção:
Quando Vak cresce, a capacitância diminui, uma vez que a região de transição aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variação da tensão for suficientemente elevada, a corrente que atravessará a junção pode ser suficiente para levar o tiristor à condução.
Uma vez que a capacitância cresce com o aumento da área do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se que a limitação diz respeito apenas ao crescimento da tensão direta (Vak>0). A taxa de crescimento da tensão reversa não é importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junções J1 e J3, em tal situação, não tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de condução.
Como se verá adiante, utilizam-se circuitos RC em paralelo com os tiristores com o objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tensão direta sobre eles.

e) Energia radiante (Luz ou Radiação)

Energia radiante dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal, produz considerável quantidade de pares elétron-lacuna, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a condução do tiristor. Este tipo de acionamento é o utilizado nos LASCR, cuja aplicação principal é em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolação necessária só é obtida por meio de acoplamentos óticos.

Parâmetros básicos de tiristores

A seguir alguns parâmetros típicos de tiristores e que caracterizam condições limites para sua operação [3.2]. Alguns já foram apresentados e comentados anteriormente e serão, pois, apenas citados aqui.
a) Tensão direta de ruptura (VBO)
b) Máxima tensão reversa (VBR)
c) Máxima corrente de anodo (Ia max): pode ser dada como valor RMS, médio, de pico e/ou instantâneo.
d) Máxima temperatura de operação (Tj max): temperatura acima da qual, devido a um possível processo de avalanche, pode haver destruição do cristal.
e) Resistência térmica (Rth): é a diferença de temperatura entre 2 pontos especificados ou regiões, dividido pela potência dissipada sob condições de equilíbrio térmico. É uma medida das condições de fluxo de calor do cristal para o meio externo.
f) Característica I2t: é o resultado da integral do quadrado da corrente de anodo num determinado intervalo de tempo, sendo uma medida da máxima potência dissipável pelo dispositivo. É dado básico para o projeto dos circuitos de proteção.
g) Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt).
h) Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o início do processo de condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silício, ao redor da região onde foi construída a porta, espalhando-se radialmente até ocupar toda a superfície do catodo, à medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expansão necessária na superfície condutora, haverá um excesso de dissipação de potência na área de condução, danificando a estrutura semicondutora. Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançada fazendo-se a interface entre gate e catodo com uma maior área de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. A figura 3.7 ilustra este fenômeno.
i) Corrente de manutenção de condução (IH): a mínima corrente de anodo necessária para manter o tiristor em condução.
j) Corrente de disparo (IL): mínima corrente de anodo requerida para manter o SCR ligado imediatamente após ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente de porta.
k) Tempo de disparo (ton): é o tempo necessário para o tiristor sair do estado desligado e atingir a plena condução.
l) Tempo de desligamento (toff): é o tempo necessário para a transição entre o estado de condução e o de bloqueio. É devido a fenômenos de recombinação de portadores no material semicondutor.
m) Corrente de recombinação reversa (Irqm): valor de pico da corrente reversa que ocorre durante o intervalo de recombinação dos portadores na junção.

A figura X ilustra algumas destas características.

Figura 3.7 Expansão da área de condução do tiristor a partir das vizinhanças da região de gate.

Figura 3.8: Características do tiristor

Perdas em condução

Analogamente ao diodo, podemos representar o SCR por seu circuito elétrico equivalente:

O SCR conduzindo dissipa uma potência elétrica em forma de calor que pode ser calculada por:

Onde:
E0 - tensão em condução;
ITmed e ITef - respectivamente, as componentes média e eficaz da corrente do SCR.
r0 ou rF - resistência em condução.

O cálculo térmico é efetuado da mesma forma já estudada quanto a diodos.