Disciplina - Eletrônica Industrial - Informações Básicas
Tiristor SCR
Retificador Controlado de Silício
PROF. Romeu Corradi Júnior
EDIÇÃO PRELIMINAR – 1.1
Campinas - 2005
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Tiristor - SCR, Notas de estudo de Tecnologia Industrial
Apostila contendo diversas informações sobre o Tiristor-SCR.
Tipologia: Notas de estudo
2011
1 / 43
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Disciplina - Eletrônica Industrial - Informações Básicas
Tiristor SCR
Retificador Controlado de Silício
PROF. Romeu Corradi Júnior
EDIÇÃO PRELIMINAR – 1.
Campinas - 2005
NOTA DO AUTOR
Esta apostila é um material de apoio didático utilizado pelo autor nas suas aulas de Eletrônica Industrial para Os Cursos de nível técnico e Superior. [COTUCA e UNIP]. 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. Romeu Corradi Júnior www.corradi.junior.nom.br
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 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.
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. 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.
Ânodo
Cátodo
Gatilho
A
G
K
P P
PP
NN
NN
Ânodo
Cátodo
Gatilho
A
G
K
J
J
J
Figura 1.1 – SCR: Simbologia, Camadas e Junções
P
N P
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.
I A
VAK
(b)
+ VAK -
I A
A K
(a)
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
- J 1 e J 3 polarizadas diretamente
- J 2 polarizada reversamente: apresenta maior barreira de potencial
- Flui pequena Corrente de Fuga Direta de Ânodo para Cátodo, I (^) F ( Forward Current ).
- Bloqueio Direto – DESLIGADO
+ A
K
G
a)
+ A
- K
b)
P P
PP
NN
NN
Ânodo
Cátodo
Gatilho
A
G
K
J
J
J
- + + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − −
− − − − − − − − − − −
- +
− − − − − − − − − − −
- +
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
- J 2 diretamente polarizada
- J 1 e J 3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial
- Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Cátodo para Ânodo, I (^) R ( Reverse Current ).
- Bloqueio Reverso – DESLIGADO
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.
P P
PP
NN
NN
Ânodo
Cátodo
I GK
A
G
K
J
J
J
- + + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − −
− − − − − − − − − − −
- +
− − − − − − − − − − −
- +
−−−− −−−−
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.
V (^) DISPARO I (^) G
Figura 5.2 – Circuito para disparo do SCR Assim, a tensão V (^) DISPARO necessária para proporcionar a corrente de disparo I (^) G através da resistência limitadora R (^) G pode ser dada por:
VDISPARO = IG ⋅ RG + 0 , 7
Um SCR pode disparar por ruído de corrente no gatilho. Para evitar estes disparos indesejáveis devemos utilizar um resistor R (^) GK 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.
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 I (^) L ( Latching Current ). O SCR não entrará em condução se a Corrente de Gatilho I (^) GK for suprimida antes que a Corrente de Ânodo I (^) A atinja o valor da Corrente de Retenção I (^) L. Uma vez retirada a corrente de gatilho, a mínima Corrente de Ânodo I (^) A 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 ( I (^) L > IH ). O valor de IL é em geral de duas a três vezes a corrente de manutenção I (^) H. 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 I (^) A for maior que a Corrente de Manutenção (I (^) A > IH), mesmo sem corrente no gatilho (I (^) GK).
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 V (^) AK 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 (V (^) RRM ou VBR) danificará o componente.
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.
P
P
N
Ânodo
Gatilho
I A=I T
I GK
J
J
P
N
N
Cátodo I K
J
J
Q
Q
I A
I GK
I C
I B1=I C
I B
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.corradi.junior.nom.br
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 I (^) A para um valor menor que o valor da corrente de manutenção I (^) H durante um certo tempo. Este é o tempo necessário para o desligamento do SCR, t (^) off. 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 I (^) A deve ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manutenção I (^) H, 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 10 μs para os SCR rápidos.
7.1. Comutação Natural:
A Comutação Natural acontece quando a Corrente de Ânodo I (^) A for reduzida a um valor abaixo da Corrente de Manutenção I (^) H. A Corrente de Manutenção é cerca de 1000 vezes menor que a corrente nominal do SCR. 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. 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 I (^) A < 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 I (^) A < 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
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
E 0
VTO
V F
Turn-on Voltage ou Forward Voltage V
Tensão de Ruptura Reversa Máxima VVRRM BR
Reverse Breakover Voltage (^) kVV
Tensão de Ruptura Direta Máxima
VDRM
VBO^ Breakover Voltage^
V
kV Corrente de Fuga Reversa I (^) R Reverse Current mA Corrente de Fuga Direta I (^) F Forward Current mA
Resistência em Condução
r (^) O rF r (^) T
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 (^) II^ AV med
Average Current (^) kAA
Corrente Eficaz no Ânodo IRMSI ef
Root Mean Square Current (^) kAA
Corrente de Pico no Ânodo I (^) P Peak Current
A
kA Tensão Inversa Máxima entre Gatilho e Cátodo V^ GRM
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 I (^) L Latching Current μA mA
Corrente de Manutenção I (^) H Holding Current (^) mAμA
Observação: A maioria dos SCR apresentam I (^) GT entre 0,1 a 50mA. I (^) GT 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]
- SCR encapsulamento tipo rosca
- Tensão de ruptura reversa máxima (V (^) RRM ) 600V
- Corrente de ânodo média admissível (I (^) AKmed ) 16A
- Corrente de ânodo eficaz admissível (I (^) Akef) 35A
- Tensão direta em condução (E 0 ) 1,0V
- Resistência em condução (r 0 ) 18mΩ
- Corrente de disparo mínima (I (^) GT ) 150mA
- Tensão Mínima de Gatilho (V (^) GT ) 2,0V
- Degrau de Tensão Admissível (dV/dt) 200V/μs
- Degrau de Corrente Admissível (dI/dt) 150A/μs
- Corrente de Manutenção (I (^) H) 100mA
- Corrente de Retenção (I (^) L ) 200mA
- Corrente de Fuga (IF ) 10mA 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 V (^) CC é a fonte que alimentará a resistência de carga através do SCR. A fonte V (^) G fornecerá a corrente de gatilho I (^) GK através da resistência limitadora R (^) G. Considere que no instante inicial t 0 a chave Ch1 é fechada e a fonte V (^) G 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 V (^) AK e a elevação da corrente de ânodo I (^) A. O tempo de retardo é chamado de t (^) d ( delay time ) e o tempo de decaimento t (^) r
. O tempo de fechamento t (^) on = 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 I (^) GK e da velocidade de crescimento da referida corrente.
O tempo de decaimento da tensão ânodo-cátodo t (^) r independe da corrente I (^) GK. Apenas as características de fabricação do componente interferem no decaimento de V (^) AK.
Podemos observar o processo dinâmico de bloqueio do SCR pela Figura 9.4. Após o tempo de recuperação do SCR t (^) rr , para que o SCR possa bloquear efetivamente é necessário manter a tensão reversa por um tempo igual ou maior do que t (^) q. 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 (I (^) RM ) 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 f (^) max bem como os tempos de ligação t (^) on e de
desligamento t q ou toff.
vAK
t rr
i A
t
t
t s
tf
I RM
IL
EO
t q
IF
I R
t inv
t o
E 1
E 2
t 1
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)
- 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 E 0 (VF ou VTO ) representa a queda de tensão e r 0 (r (^) F ou r (^) T ) representa a resistência quando o componente está em condução.
r
A K
EO
I A
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:
2 PSCR = E 0 ⋅ Imed + r 0 ⋅ Ief
onde: PSCR – perda de potência no SCR durante a condução (W) E 0 – tensão ânodo-cátodo durante a condução (V) r 0 – 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.
11. 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 11.1. 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.