FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA TIRISTORES

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1 FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA ENGENHARIA ELÉTRICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA TIRISTORES

2 Tiristores Introdução Dispositivos semicondutores de potência com 4 camadas PNPN; Utilizado com chave eletrônica; Principal vantagem é converter e controlar grandes quantidades de potência em sistemas CA e CC, com pequena potência para o controle; Fazem parte da família dos tiristores: Retificador controlado de silício (SCR); Tiristor de desligamento por porta (GTO); Triac; Diac; Chave controlada de silício (SCS); Tiristor controlado MOS (MCT). Os SCR são amplamente usados em, fontes de alimentação reguladas de potência, chaves estáticas, choppers, inversores, cicloconversores, etc.

3 O retificador controlado de silício (SCR) É o controlador elétrico mais utilizado devido a sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos seus altos valores nominais de corrente e tensão. Descrição Tem 3 terminais: os de potência, ânodo (A) e catodo (K) e o de controle (G); Quando está diretamente polarizado, A em relação ao K, uma tensão positiva na G passa o SCR para o estado ligado; Não é a porta que desliga o SCR; A porta é desligada quando a corrente de potência é interrompida; Similar ao diodo, o SCR bloqueia a corrente na direção inversa.

4 Funcionamento (modelo SCR com 2 transistores) SCR pode ser representado como 2 transistores separados e complementares; Uma tensão positiva na porta polariza diretamente a junção base-emissor de Q 1 ; Q 1 passa para o estado ligado, permite a passagem de corrente C para E; Se o A do SCR estiver positivo, a junção emissor-base de Q 2 fica diretamente polarizado, então passa-o para o estado ligado; Q 2, suprirá Q 1 com corrente de base depois de passar para o estado ligado; O processo regenerativo, disparo, prossegue até a saturação de Q 1 e Q 2 ; A retirada da tensão de porta não desligará o SCR. Somente quando a sua corrente principal, A para K, é interrompida, ele desligará.

5 Curvas características de um SCR Quando o SCR estiver diretamente polarizado, flui uma pequena corrente direta; Essa região da curva é conhecida como região de boqueio direto; Se a polarização direta for aumentada até um valor limite crítico o SCR liga; Após atingir essa tensão de disparo direta (V FBO ), a tensão no SCR cai a um valor baixo (1 3 V) e a corrente aumenta no mesmo instante; Essa corrente ficará limitada pelos componentes em série com o SCR.

6 Curvas características de um SCR As 3 curvas mostram que o valor de V FBO pode ser controlado pelo nível de corrente da porta; Se a junção G-K estiver diretamente polarizada, o SCR passará para o estado ligado com uma tensão em nível mais baixo de disparo do que G aberta (I G = 0); A medida que a corrente de G aumenta, a tensão de disparo diminui; A curva I G = 0 mostra que o SCR pode passar para ligado sem corrente de porta.

7 Curvas características de um SCR O SCR ligar sem o controle de porta não é uma situação desejável; A curva reversa é semelhante à do diodo de junção PN comum; O SCR tem uma corrente de fuga inversa (I R ), quando assim polarizado; Se atingir tensão de ruptura inversa (V (BR)R ), I R crescerá de modo intenso; Deve-se assegurar que a V (BR)R não seja atingida, para não danificar o dispositivo;

8 Curvas características de um SCR Na essência o SCR funciona como uma chave; Quando a tensão estiver abaixo da tensão de disparo é uma chave desligada; Quando a tensão alcançar o ponto de disparo é uma chave ligada; O SCR permanecerá no estado ligado enquanto I A ficar acima de um certo valor, chamado corrente de sustentação (I H ).

9 Curvas características de um SCR A porta perderá o controle depois que o SCR passa para o estado ligado; Quando ligado o SCR permanecerá ligado mesmo que a I G = 0; Ele desligará se for retirado a tensão de alimentação ou I A ficar abaixo de I H ; Se a fonte for CA, o SRC ficará polarizado inversamente no ciclo negativo e então passará para o estado desligado, naturalmente.

10 Curva característica ideal O SCR tem 3 estados básicos de operação: Bloqueio direto (desligado); Condução direta (ligado); Bloqueio reverso (desligado). O SCR ideal, se comporta como um diodo no estado ligado.

11 Teste dos SCRs Deve-se ligar o terminal positivo do ohmímetro no A e o negativo no K; O SCR está polarizado diretamente, mas teremos uma leitura alta, pois I G = 0; Em seguida, deve-se curto-circuitar G ao A, SCR liga, e a leitura diminui; A leitura de resistência permanecerá baixa, mesmo com a retirada do curto.

12 Teste dos SCRs Se o SCR passar para o estado ligado ao ligar G ao A, ele está em curto, A e K; Se não passar para o estado ligado ao ligar G ao A, ele está em aberto, A e K; Se o SCR passar para o estado desligado ao desligar G de A, condição duvidosa. O ohmímetro pode não fornecer corrente maior que I H ; Ao ligar o terminal positivo do ohmímetro no K e o negativo no A, leitura infinita, pois o SCR está polarizado inversamente; Se G estiver em curto com A, a leitura G-K dará leitura infinita.

13 Valores nominais de corrente do SCR Valores nominal máximo de corrente RMS repetitivo A corrente direta máxima, depende da temperatura máxima de junção (T j ); A maior contribuinte de T j é a corrente repetitiva RMS no estado ligado: I T(RMS) ; I T(RMS) determina a dissipação de calor; Os fabricantes fornecem esse dado em relação a corrente média (I T(avg) ); Que é o maior valor de corrente média suportado pelo SCR no estado ligado; Pode ser difícil determinar o valor RMS, exemplo:

14 Valores nominais de corrente do SCR Valores nominal máximo de corrente RMS repetitivo A corrente direta máxima, depende da temperatura máxima de junção (T j ); A maior contribuinte de T j é a corrente repetitiva RMS no estado ligado: I T(RMS) ; I T(RMS) determina a dissipação de calor; Os fabricantes fornecem esse dado em relação a corrente média (I T(avg) ); Que é o maior valor de corrente média suportado pelo SCR no estado ligado; Pode ser difícil determinar o valor RMS, exemplo:

15 Valores nominal máximo de corrente RMS repetitivo Após a aproximação, o valor RMS será: O valor médio do pulso: O fator de forma:

16 Tabela para fator de forma: Tiristor SCR

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18 Valor nominal de corrente de surto (I FM ou I TSM ) É a corrente de pico que o SCR pode suportar em curto espaço de tempo; Os períodos devem ser isolado até que a junção retorne a temperatura nominal; Este valor pode ser de 5 a 20 vezes maior que I T(RMS) ; O SCR é projetado para aguentar 100 surtos no máximo; Exposições excessivas a temperaturas altas, podem ter sequelas; Os valores de I T(RMS) e I TSM nunca devem ser excedidos. Corrente de disparo (I L ) Corrente mínima de anodo que deve fluir pelo SCR, quando a porta for ligada; Se este valor for menor, quando sinal de porta chegar o SCR liga e se for removido, ele desligará.. Corrente de sustentação (I H ) Depois da I L, o SCR precisa de uma corrente mínima para manter a condução; Abaixo desse valor o SCR desligará; Tanto I H com I L diminuem com a temperatura, a relação é 2:1; São valores bem pequenos quando comparados a I T(RMS) ; Tanto I H com I L podem causar problemas em circuitos nos quais a corrente de carga é bem menor que I T(RMS) ou quando o SCR opera em baixas temperaturas.

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20 Valores nominais de tensão do SCR Tensão de bloqueio repetitivo em polarização direta (V DRM ) É a tensão máxima instantânea que o SCR pode bloquear na direção direta; V DRM é selecionada para ser menor que V FBO. Tensão de bloqueio repetitivo em polarização reversa (V RRM ) É a tensão máxima instantânea que o SCR pode bloquear na direção inversa; A V DRM é mais baixa do que o valor de sua V RRM ; Atendendo ao valor de V DRM atenderá ao valor de A V RRM ; Ultrapassado valor de V DRM danificará o dispositivo. Tensão de pico não-repetitivo reversa (V RSM ) É a tensão máxima transitória que o SCR pode aguentar na direção inversa; A V RSM é de 10% a 20% maior que o valor de V RRM ; Esse valor pode ser aumentado com a inserção de um diodo com valor nominal igual de corrente, em série com o SCR.

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22 Classificação dos SCRs de acordo com a frequência e a velocidade de chaveamento São duas as categorias: Tipo chaveamento lento, controle de fase ou tiristor conversor: Levam muito tempo passar para estado desligado, de 50 a 100µs; Mais adequado para chaveamento em baixa velocidade. Tipo chaveamento rápido ou tiristor inversor: Tem tempo de desligamento rápido, geralmente de 5 a 50µs; A queda de tensão direta em estado ligado varria aproximadamente como uma função inversa do tempo de desligamento.

23 Valores nominais de taxa de variação dos SCRs Taxa de subida crítica da corrente no estado ligado (valor nominal di/dt)

24 Taxa de subida crítica da tensão no estado desligado (valor nominal dv/dt) Uma tensão direta com subida rápida em estado desligado, resulta em um fluxo de corrente nas junções para a camada de porta; Essa corrente equivale a uma corrente de porta fornecida externamente; Ela fará com que o SCR passe para estado ligado, se ultrapassar o valor crítico; dv/dt alta, subida de tensão direta poderá causar um disparo não-programado; O circuito snubber RC é usado para evitar disparos não programados;

25 Taxa de subida crítica da tensão no estado desligado (valor nominal dv/dt)

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27 Referências Bibliográficas Ahmed, A; Eletrônica de potência, Prentice Hall, São Paulo, 2000.