Retificador+controlado+de+sil��cio

ELETRNICA DE POTNCIA

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Retificador controlado de silcio ( SCR ou Tiristor)

5.Tiristor

O nome tiristor engloba uma famlia de dispositivos semicondutores que operam em regime

chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa seqncia p-n-p-n,

apresentando um funcionamento biestvel.

O tiristor de uso mais difundido o SCR(Retificador Controlado de Silcio), usualmente chamado

simplesmente de tiristor.

Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado

por luz), tambm chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional),

DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutvel pela porta), MCT (Tiristor controlado

por MOS).

5.1 Princpio de funcionamento

O tiristor possui uma estrutura com quatro camadas e trs terminais. O nodo (A) e o ctodo (K)

so os terminais de potncia da chave e o gate (G), o terminal de controle

Fig. 5.1

Pode apresentar-se em um de trs estados de operao:

(a). estado corte polarizao reversa (b). estado corte polarizao direta (c). estado conduo - polarizao direta

Fig. 5.2


40

5.1.1Comportamento do b de Transistor Bipolar de Potncia com corrente de coletor e

temperatura

O ganho de corrente dos TBP varia com diversos parmetros (Vce, Ic, temperatura), sendo

necessrio, no projeto, definir adequadamente o ponto de operao .A figura 5.3 mostra um

comportamento tpico do ganho.

Em baixas correntes, a recombinao dos portadores em trnsito leva a uma reduo no ganho,

enquanto para altas correntes tem-se o fenmeno da quasesaturao tambm reduzindo o ganho.

Para uma tenso Vce elevada, a largura da regio de transio da juno coletor base que penetra na

camada de base maior, de modo a reduzir a espessura efetiva da base, o que leva a um aumento do

ganho.

Fig. 5.3 - Comportamento tpico do ganho de corrente em funo da tenso Vce, da temperatura e da

corrente de coletor.

5.1.2 Disparo do SCR Analogia com dois transistores O disparo do SCR pode ser entendido utilizando um modelo simplificado com dois transistores. A

fig. 5.4 mostra uma visualizao do SCR como dois transistores, um PNP e um NPN ,interligados.

Fig. 5.4

Se entre nodo e ctodo tivermos uma tenso positiva , as junes J1 e J3 estaro diretamente

polarizadas, enquanto a juno J2 estar reversamente polarizada. No haver conduo de corrente

at que a tenso Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2.


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O aumento de Vak acompanhado do aumento da corrente de fuga na juno J2. Para pequenas

correntes de fuga o b dos transistores do modelo menor que um. Com o aumento da corrente de

fuga teremos um aumento de b. Quando o valor de b ultrapassa 1 teremos o incio de um processo

de realimentao positiva (disparo) que corresponde a um

aumento da corrente andica . A tenso andica acima da qual d-se o disparo chamada tenso de ruptura direta.

Aps o disparo a corrente limitada por uma resistncia externa . Se injetarmos uma pequena

corrente no gate verificamos que o disparo ser obtido para um valor de tenso andica menor (a

injeo de corrente faz b >1 para um menor valor de Vak ).

Fig. 5.5 Efeito da corrente de porta

5.2 Maneiras de disparar um tiristor

Podemos considerar cinco maneiras distintas de fazer com que um tiristor entre em conduo:

5.2.1) Tenso

Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tenso de polarizao aplicada sobre a

juno J2. Mesmo na ausncia de corrente de gate, por efeito trmico, sempre existiro cargas livre

que penetram na regio de transio (no caso, eltrons), as quais so

aceleradas pelo campo eltrico presente em J2. Para valores elevados de tenso (e,

consequentemente, de campo eltrico), possvel iniciar um processo de avalanche.

Tal fenmeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela juno J2, tem efeito

similar ao de uma injeo de corrente pelo gate.


42

Fig. 5.6 Caracterstica V x I do tiristor

5.2.2) Ao da corrente positiva de porta (gate)

A tenso Vak deve ser positiva.

O disparo pela corrente de porta o mais usual. Os limites mximos e mnimos para a tenso Vgk e

a corrente Ig, esto mostrados na figura 5.7.


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Fig. 5.7

O valor VGT indica a mnima tenso de gate que garante o disparo de todos os componentes de um

dado tipo, na mnima temperatura especificada (disparo garantido).

O valor VGD a mxima tenso de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo

entrar em conduo, na mxima temperatura de operao (no disparo garantido).

A corrente IGT a mnima corrente necessria para garantir a entrada em conduo (disparo

garantido) de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mnima temperatura.

Para garantir a operao correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve

garantir a passagem alm dos limites VGT e IGT, sem exceder os demais limites (tenso, corrente e

potncia mximas).

5.2.3) dv/dt (taxa de crescimento da tenso direta ; disparo indesejado )

Quando reversamente polarizada, a rea de transio de uma juno comporta-se de maneira similar

a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Quando o SCR estiver desligado e

polarizado diretamente toda a tenso Vak ser aplicada sobre a juno J2. A corrente que atravessa

tal juno dada por:

Quando Vak cresce, a capacitncia diminui, uma vez que a regio de transio aumenta de largura.

Entretanto, se a taxa de variao da tenso for suficientemente elevada, a corrente que atravessar a

juno pode ser suficiente para levar o tiristor conduo.


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Uma vez que a capacitncia cresce com o aumento da rea do semicondutor, os componentes para

correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor.

Observe-se que a limitao diz respeito apenas ao crescimento da tenso direta (Vak > 0). A taxa

decrescimento da tenso reversa no importante, uma vez que as correntes que circulam pelas

junes J1 e J3, em tal situao, no tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de conduo.

5.2.3.1 Circuito suavizador (snubber): O efeito dv/dt pode ser suavizado com o circuito da figura. Ao ser ligada a chave o capacitor

externo est praticamente em paralelo com a capacitancia de J2 do tiristor. O caminho alternativo

para a corrente reduz a corrente na regio da porta evitando o disparo indesejado.

Fig. 5.8 suavizador para dv/dt

Quando o tiristor disparado o resistor limita a corrente de descarga do capacitor a um valor

aceitvel pelo tiristor.

5.2.4 )Temperatura

A altas temperaturas, a corrente de fuga numa juno p-n reversamente polarizada dobra

aproximadamente com o aumento de 8oC. Assim, a elevao da temperatura pode levar a uma

corrente atravs de J2 suficiente para levar o tiristor conduo.

5.2.5) Energia radiante

4 Energia radiante dentro da banda espectral do silcio, incidindo e penetrando no cristal, produz

considervel quantidade de pares eltron-lacuna, aumentando a corrente de fuga reversa,

possibilitando a conduo do tiristor. Este tipo de acionamento o utilizado nos

LASCR, cuja aplicao principal em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolao

necessria obtida por meio de acoplamentos ticos.

5.3 ) Corrente de travamento ( latching current ) Se o processo de disparo for interrompido antes que a corrente andica atinja um determinado valor

o disparo interrompido e o tiristor volta ao estado de corte. Esta

corrente andica chama-se corrente de travamento (fig.5.6)

A corrente de travamento assume papel preponderante quando alimentamos carga indutiva: , e o

disparo do tiristor obtido por pulso na porta.

Exemplo; Um tiristor usado para a partir de uma fonte de 200 Vcc alimentar uma carga altamente

indutiva, composta por um resistor de 2 W em srie com um indutor de 2H. A corrente de

travamento do tiristor 250 mA . Qual deve ser a menor durao de um pulso

na porta para que o disparo tenha sucesso?


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Sol : A corrente na carga ser:

st

e

e

e

eeeR

Vti

t

t

t

ttt

L

R

3

3

3

2

2

105,200251,1ln

00251,1

9975,0105,21

10250100100

100100)1(2

200)1()(

5.4 Corrente de manuteno ( holding current ) Uma vez disparado o tiristor permanece em conduo. Para voltar ao estado de corte devemos

reduzir a corrente andica abaixo de um determinado valor chamado corrente de manuteno

(fig5.6)

5.5 Mtodos de apagamento do tiristor O tiristor passa da conduo ao corte quando o valor da corrente anodica cai abaixo da corrente de

manuteno . Isto pode ocorrer naturalmente ,dependendo do circuito externo ao tiristor , ou de

maneira forada . Quando o tiristor usado em circuitos de corrente alternada a comutao

normalmente natural . Quando o uso em corrente contnua a

comutao forada por circuito externo que fora a diminuio da corrente no tiristor para um

valor inferior corrente de manuteno. Conforme veremos futuramente o tiristor no pode ser

apagado atravs de sinal na porta.

Fig. 5.9 circuito bsico para apagamento forado

Na fig. 5.9 apresentamos o circuito bsico de apagamento de tiristores. O apagamento forado

consiste em forar uma corrente reversa no tiristor durante um tempo mnimo para que o corte seja

obtido.

O processo semelhante ao apagamento de diodo.

Para evitar que o tiristor volte a conduzir a tenso Vak deve permanecer negativa por um intervalo

de tempo denominado tempo de apagamento do tiristor (toff).

Este tempo varia entre 50 e 100 microsegundos para tiristores normais, e 10 a 50 microsegundos

para tiristores rpidos.


46

Fig. 5.10 Apagamento forado do tiristor


47

5.6 Dissipao de potncia na comutao

Fig. 5.11

A Fig. 5.11 ilustra a dissipao de potncia nos diversos estgios de comutao de um tiristor

alimentado com 400 Vcc e conduzindo 110 A. Notamos picos elevados de potncia dissipada

durante as passagens de corte para conduo e vice versa. Esta dissipao limita a

mxima freqncia de utilizao do tiristor.


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5.7 Parmetros tpicos do Tiristor

5.7.1 Mxima corrente de nodo (Iamax): como para os diodos dada atravs de curvas.

Fig. 5.12 Imed nominal x Temperatura da capsula

Os valores eficaz e mdio da corrente senoidal retificada em meia onda com ngulo de disparo a

valem:

Tm

mmed

mmrms

IttdIdtdttf

TI

IttdII

0 0

2

1

2

1

22

cos12

sen02

1)(

1

8

2sen

44

1sen

2

1


49

Fig. 5.13

5.7.2 Potncia dissipada

Fig. 5.14 Potncia dissipada x corrente mdia


50

5.7.3 Tempos caractersticos de disparo do tiristor

Fig. 5.15 Tempos caractersticos de disparo do tiristor

Tempo de atraso (td): tempo que decorre do instante que a corrente de porta atinge 90% do valor

final at a tenso Vak cair para 90% do valor anterior ao disparo.

Tempo de subida (tr) : tempo que decorre do fim do tempo de atraso at a corrente andica atingir

90% do valor final.

Tempo de disparo (ton.): soma do tempo de atraso com tempo de subida

5.7.4 Comportamento do tiristor com di/dt O tiristor no pode ser apagado com uma corrente reversa no gate devido ao parmetro di/dt do tiristor.

Este apagamento possvel para outro membro da famlia dos tiristores, o GTO (gate turn off).

O comportamento com a variao de corrente (di/dt) pode ser entendido com auxlio do modelo da

figura 5.16 que representa um tiristor composto por vrias clulas individuais associadas em

paralelo.


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Fig.5 16

A corrente na porta provoca inicialmente a conduo da regio mais prxima. As regies mais

afastadas vo entrando em conduo progressivamente; A rea disponvel para a passagem da

corrente andica inicialmente pequena. Podemos ter uma densidade de corrente localizada maior

que a suportvel levando a destruio do dispositivo.

Com o tiristor conduzindo , qualquer tentativa de apagamento via porta apenas conseguir apagar uma pequena regio no levando o tiristor ao corte.

Fig. 5.17 Geometria de gate-catodo para aumentar di/dt permissvel

5.7.4.1Circuito suavizador de di/dt ( Snubber)

Fig. 5.18

No disparo o valor de di/d ser limitado pela indutancia. O diodo e o resitor limitam o valor da

tenso sobre o tiristor quando o mesmo deixa de conduzir.


52

6 Dispositivos e circuitos de disparo

6.1 Caractersticas da porta (antes do disparo):

6.1.1 Efeito sobre dv/dt de um resistor na porta:

Se um resistor adicionado em paralelo com a porta teremos um caminho alternativo para a

corrente (dv/dt) reduzindo a sensibilidade e dificultando o disparo indesejado. Por esta razo a

construo do tiristor do tipo emissor curtocircuitado. A figura 6.1 ilustra esta construo.

Fig. 6.1 construo do tiristor com o emissor curto-circuitado

A Fig. 6.2 mostra a caracterstica porta-catodo (com corrente andica=0) comparada com a

caracterstica de um diodo comum.

Fig. 6.2


53

6.1.2 -Reta de carga para o circuito da porta:

A figura 6.3 mostra a reta de carga correta para disparo do tiristor.

Fig. 6.3

As curvas A e B so as caratersticas limite da famlia de tiristores. A reta de carga deve passar o

mais prximo possvel da curva de mxima potncia (C) para se obter disparo eficiente.

6.2 Disparo por c.c.: A Fig. 6.4 mostra um circuito tpico

Fig. 6.4.


54

6.3 Disparo por corrente alternada:

As figuras 6.5 e 6.6 mostram cicuitos tpicos.

Fig. 6.5

Fig. 6.6

6.4 Disparo por pulsos : O disparo por pulsos de corrente na porta tem como vantagens:

a) reduo da potncia dissipada na porta

b) possibilidade de sincronizar o disparo de mais de um tiristor

c) facilidade de isolao ente o circuito de disparo e o circuito de potncia com transformador de

pulsos.

6.4.1 Oscilador de relaxao : E um circuito de gerao de pulsos por descarga capacitiva. E muito utilizado para gerao de

pulsos de disparo. Os pulsos gerados tm tenso inicialmente alta e progressivamente decrescente.


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Sua forma de onda favorece o disparo. A Fig. 6.7 mostra o circuito bsico do oscilador de relaxao.

Fig. 6.7.

Seu funcionamento se baseia na caracterstica VxI de dispositivos especiais apresentada na Fig. 6.8 .

Note a semelhana desta caracterstica com a do tiristor.

Alguns dispositivos que tm esta caracterstica so: UJT , PUT, SUS, SCS, SBS, DIAC, ATS ,

lmpada non etc. (v tabela 6 anexa)

Fig. 6.8

O funcionamento do oscilador de relaxao pode ser compreendido com auxlio da Fig. 6.9. O

circuito bsico (Fig. 6.9a) utiliza um dispositivo com tenso de chaveamento Vs, corrente de

chaveamento Is, tenso e corrente de manuteno Vh e Ih respectivamente. Na Fig. 6.9b so

mostradas a caracterstica VxI do dispositivo conjuntamente com retas de carga correspondentes a

R1 e R2 . Se R1 aumentada at o valor mximo que mantm a oscilao verificamos que a reta de

carga correspondente intercepta a caracterstica no ponto 1. Este ponto coincide com o ponto de

tangncia na curva caracterstica, da reta de carga correspondente a R2. O ponto bastante prximo

ao ponto de coordenadas (Vs, Is ) se confundindo com o mesmo para efeitos prticos.


56

Quando o ponto 1 atingido temos um salto para o ponto 2 quando o capacitor se descarrega com

uma corrente de pico ip produzindo um pico de tenso ep sobre o resitor R2 ( que inclui a impedncia

da porta do tiristor). A descarga do capacitor transfere o ponto de 2 para 3 onde novamente a reta de

carga de R2 tangencia a curva caracterstica. Temos ento a passagem do ponto 3 para o ponto 4 . A

partir da o capacitor se recarrega dando continuidade a oscilao.

Se R1 for reduzido ao o valor mnimo que mantm a oscilao a nova reta de carga intercepta a

curva caracterstica no ponto 3. Qualquer diminuio adicional de R1 faz com que o dispositivo

permanea conduzindo e a reta de carga intercepta a curva entre ao pontos 2 e 3.

Fig. 6.9

Se R1 for aumentado alm do valor mximo de oscilao a reta de carga interceptar a curva

caracterstica entre 1 e a origem e o dispositivo no entrar em conduo.


57

DBBE VVV

6.4.1.1 Oscilador com UJT (transistor unijuno )

Fig. 6.10

O transistor unijuno constitudo por uma barra de material tipo n , com duas conexes metlicas

nas extremidades e uma juno pn intermediria (Fig. 6.10a).

Seu smbolo o da Fig. 6.10 b).

A fig. 6.10 c) mostra o modelo simplificado do UJT polarizado com uma tenso VBB. A tenso no

ctodo do diodo uma frao da tenso VBB. Quando a tenso VE polariza diretamente o diodo o

UJT conduz. Na condio de conduo a resistncia entre emissor e base1 bem pequena tornando

a corrente de emissor limitada basicamente pelo resistor externo conectado na base1.

O ponto de conduo do UJT dado pela expresso:

Onde h o valor do divisor resistivo de tenso resultante da construo do UJT (fig. 6.10 c)

A caracterstica VE x IE a tpica de dispositivo de disparo de oscilador de relaxao.

A Fig. 6.11 mostra um oscilador de relaxao tpico com UJT. O capacitor C1 carregado atravs

de RI e R2 . Quando a tenso ultrapassa o valor de conduo o UJT

dispara fornecendo um pulso de corrente para o resistor R4.

Fig. 6.11

DBBE VVV


58

6.4.1.2 Oscilador com PUT (transistor unijuno programvel):

O PUT tem uma estrutura de quatro camadas p,n,p,n semelhante ao tiristor. (Fig. 6.12 a). A porta

no entanto junto ao nodo. Seu nome vem da semelhana de funcionamento entre um oscilador de

relaxao tpico com PUT (Fig. 6.12b) e com UJT. Note que no oscilador com PUT a condio de

conduo obtida quando a tenso no capacitor ultrapassa a tenso do divisor de tenso R3, R4 de

um valor suficiente para fazer conduzir a juno nodo porta do PUT. Este divisor , que pode ser

programado pela escolha dos resistores define o correspondente ao h do UJT

Fig. 6.12

A caracterstica V x I do PUT tem a forma padro da de um dispositivo de disparo de um oscilador

de relaxao.

As caractersticas tpicas de alguns dispositivos apresentada na tabela 6.1 anexa.


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TABELA 6.1


60

6.4.2 Transformador de pulso:

So usados para isolar galvanicamente circuitos geradores de pulsos e circuitos de potncia.

Consideremos o efeito da aplicao de uma tenso contnua V no primrio de um transformador.

Sabemos que esta tenso provocar um fluxo l=nf que obedece a relao : V =dl/dt. Teremos no

secundrio uma tenso correspondente relao de espiras.

ndt

dV dtV

Fig. 6.13

Como a tenso primria constante o fluxo crescer linearmente com o tempo (l =Vt). Quando o

valor deste fluxo ultrapassa a saturao do ncleo , teremos um aumento substancial da corrente de

magnetizao com o tempo. Este aumento de corrente provoca nas resistncias internas da fonte e do

fio do transformador uma queda de tenso que progressivamente reduz a variao do fluxo fazendo

a tenso secundria tender a zero.

Se a tenso aplicada for um pulso necessrio que a saturao no seja atingida para que o pulso

seja reproduzido no secundrio. O fluxo, ou seja os Voltsegundos aplicados devem ser menores que

o valor do fluxo de saturao. .Por este motivo a especificao bsica de transformadores de pulso

dada em Vms.

Por exemplo: um transformador de 200 Vms permite a aplicao de pulsos de 20 V durante 10us, ou

2 V durante 100ms.

1. Posso aplicar pulsos cuja rea seja 200Vs.

Fig. 6.14


61

2. Posso aplicar um trem de pulsos?

Fig. 6.15

No, pois as reas vo se somando ao longo do tempo correspondendo a um fluxo crescente.

provocando a saturao do ncleo. O transformador deve ser desmagnetizado ao trmino de cada

pulso.

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