O retificador controlado por silício (SCR)

Diodos Shockley e retificadores controlados por silício (SCRs)

Os diodos Shockley são dispositivos curiosos, mas bastante limitados em sua aplicação. Sua utilidade pode ser expandida, no entanto, equipando-os com outro meio de travamento. Ao fazer isso, cada um se torna um verdadeiro dispositivo de amplificação (mesmo que apenas em um modo liga / desliga), e nos referimos a eles como retificadores controlados por silício ou SCRs.

A progressão do diodo Shockley para SCR é alcançada com uma pequena adição, na verdade nada mais do que uma conexão de terceiro fio à estrutura PNPN existente:(Figura abaixo)



O retificador controlado por silício (SCR)

Condução SCR

Se a porta de um SCR é deixada flutuando (desconectada), ele se comporta exatamente como um diodo Shockley. Ele pode ser travado por tensão de interrupção ou por exceder a taxa crítica de aumento de tensão entre o ânodo e o cátodo, assim como com o diodo Shockley. O dropout é realizado reduzindo a corrente até que um ou ambos os transistores internos caiam no modo de corte, também como o diodo Shockley. No entanto, como o terminal da porta se conecta diretamente à base do transistor inferior, ele pode ser usado como um meio alternativo para travar o SCR. Ao aplicar uma pequena tensão entre a porta e o cátodo, o transistor inferior será forçado pela corrente de base resultante, o que fará com que o transistor superior conduza, o que então fornece corrente à base do transistor inferior para que ele não precise mais ser ativado por uma tensão de porta. A corrente de porta necessária para iniciar o travamento, é claro, será muito mais baixa do que a corrente através do SCR do cátodo ao ânodo, portanto, o SCR alcança uma medida de amplificação.

Disparo / Disparo

Esse método de proteger a condução de SCR é chamado de disparo ou disparo e é, de longe, a maneira mais comum de travar os SCRs na prática. Na verdade, os SCRs são geralmente escolhidos de forma que sua tensão de interrupção esteja muito além da maior tensão esperada da fonte de alimentação, de modo que possa ser ligado apenas por um pulso de tensão intencional aplicado à porta.

Disparo reverso

Deve ser mencionado que os SCRs podem, às vezes, ser desligados encurtando diretamente seus terminais de porta e cátodo, ou por "acionamento reverso" da porta com uma tensão negativa (em referência ao cátodo), de modo que o transistor inferior é forçado a corte fora. Eu digo que isso é "às vezes" possível porque envolve desviar toda a corrente do coletor do transistor superior pela base do transistor inferior. Esta corrente pode ser substancial, dificultando, na melhor das hipóteses, o desligamento disparado de um SCR. Uma variação do SCR, chamada de tiristor Gate-Turn-Off, ou GTO, torna essa tarefa mais fácil. Mas mesmo com um GTO, a corrente de porta necessária para desligá-lo pode chegar a 20% da corrente do ânodo (carga)! O símbolo esquemático para um GTO é mostrado na ilustração a seguir:(Figura abaixo)



Tiristor The Gate Turn-Off (GTO)

SCRs vs GTOs

Os SCRs e GTOs compartilham os mesmos esquemas equivalentes (dois transistores conectados em um modo de feedback positivo), as únicas diferenças sendo os detalhes de construção projetados para conceder ao transistor NPN um β maior do que o PNP. Isso permite que uma corrente de porta menor (direta ou reversa) exerça um maior grau de controle sobre a condução do cátodo para o ânodo, com o estado travado do transistor PNP sendo mais dependente do NPN do que vice-versa. O tiristor Gate-Turn-Off também é conhecido pelo nome de Gate-Controlled Switch, ou GCS.

Testando a funcionalidade SCR com um ohmímetro

Um teste rudimentar da função SCR, ou pelo menos a identificação do terminal, pode ser realizado com um ohmímetro. Como a conexão interna entre a porta e o cátodo é uma junção PN única, um medidor deve indicar a continuidade entre esses terminais com o cabo de teste vermelho na porta e o cabo de teste preto no cátodo como este:(Figura abaixo)



Teste rudimentar de SCR

Todas as outras medições de continuidade realizadas em um SCR mostrarão “aberto” (“OL” em alguns visores de multímetro digital). Deve ser entendido que este teste é muito rudimentar e não constitui uma avaliação abrangente do SCR. É possível que um SCR forneça boas indicações do ohmímetro e ainda esteja com defeito. Em última análise, a única maneira de testar um SCR é submetê-lo a uma corrente de carga.

Se você estiver usando um multímetro com uma função de "verificação de diodo", a indicação de tensão da junção porta-cátodo que você obtém pode ou não corresponder ao que é esperado de uma junção PN de silício (aproximadamente 0,7 volts). Em alguns casos, você lerá uma tensão de junção muito mais baixa:meros centésimos de volt. Isso se deve a um resistor interno conectado entre a porta e o cátodo incorporado em alguns SCRs. Esse resistor é adicionado para tornar o SCR menos suscetível a disparos falsos por picos de tensão espúrios, por “ruído” no circuito ou por descarga elétrica estática. Em outras palavras, ter um resistor conectado através da junção porta-cátodo requer que um forte sinal de disparo (corrente substancial) seja aplicado para travar o SCR. Esse recurso é freqüentemente encontrado em SCRs maiores, não em SCRs pequenos. Tenha em mente que um SCR com um resistor interno conectado entre a porta e o cátodo indicará continuidade em ambas as direções entre esses dois terminais:(Figura abaixo)



SCRs maiores têm resistor de porta para cátodo.

SCRs de porta sensível

Os SCRs “normais”, sem esse resistor interno, às vezes são chamados de SCRs de porta sensível devido à sua capacidade de serem disparados pelo menor sinal de porta positivo.

O circuito de teste para um SCR é prático como uma ferramenta de diagnóstico para verificar SCRs suspeitos e também uma excelente ajuda para entender a operação básica do SCR. Uma fonte de tensão DC é usada para alimentar o circuito, e dois botões de pressão são usados ​​para travar e destravar o SCR, respectivamente:(Figura abaixo)



Circuito de teste SCR

Atuar o botão de pressão normalmente aberto “on” conecta a porta ao ânodo, permitindo a corrente do terminal positivo da bateria, através do resistor de carga, através da chave, através da junção PN catodo-porta e de volta para a bateria. Essa corrente de porta deve forçar o SCR a travar, permitindo que a corrente vá diretamente do ânodo para o cátodo sem disparar mais através da porta. Quando o botão “liga” é liberado, a carga deve permanecer energizada.

Pressionar o botão de pressão normalmente fechado “off” interrompe o circuito, forçando a corrente através do SCR a parar, forçando-o a desligar (queda de baixa corrente).

Corrente de retenção

Se o SCR não travar, o problema pode ser com a carga e não com o SCR. Uma certa quantidade mínima de corrente de carga é necessária para manter o SCR travado no estado “ligado”. Este nível mínimo de corrente é chamado de corrente de retenção. Uma carga com um valor de resistência muito grande pode não consumir corrente suficiente para manter um SCR travado quando a corrente da porta cessa, dando assim a falsa impressão de um SCR ruim (não latchable) no circuito de teste. Os valores atuais de retenção para diferentes SCRs devem ser disponibilizados pelos fabricantes. Os valores de corrente de retenção típicos variam de 1 miliampere a 50 miliamperes ou mais para unidades maiores.

Para que o teste seja totalmente abrangente, mais do que a ação de acionamento precisa ser testado. O limite de tensão de interrupção direta do SCR pode ser testado aumentando a alimentação de tensão CC (sem botão de pressão acionado) até que o SCR trave sozinho. Esteja ciente de que um teste de interrupção pode exigir uma tensão muito alta:muitos SCRs de energia têm classificações de tensão de interrupção de 600 volts ou mais! Além disso, se um gerador de tensão de pulso estiver disponível, a taxa crítica de aumento de tensão para o SCR poderia ser testada da mesma maneira:sujeite-a a tensões de alimentação pulsantes de taxas V / tempo diferentes sem interruptores de botão acionados e veja quando ele trava.

Nesta forma simples, o circuito de teste SCR pode ser suficiente como um circuito de controle de partida / parada para um motor DC, lâmpada ou outra carga prática:(Figura abaixo)



Circuito de controle de partida / parada do motor DC

O circuito “Crowbar”

Outro uso prático para o SCR em um circuito CC é como um dispositivo de alavanca para proteção contra sobretensão. Um circuito “crowbar” consiste em um SCR colocado em paralelo com a saída de uma fonte de alimentação CC, para colocar um curto-circuito direto na saída dessa fonte para evitar que uma tensão excessiva alcance a carga. Danos ao SCR e à fonte de alimentação são evitados pela colocação criteriosa de um fusível ou resistência em série substancial à frente do SCR para limitar a corrente de curto-circuito:(Figura abaixo)



Circuito Crowbar usado na fonte de alimentação DC

Alguns dispositivos ou circuitos que detectam a tensão de saída serão conectados à porta do SCR, de modo que, quando ocorrer uma condição de sobretensão, a tensão será aplicada entre a porta e o cátodo, disparando o SCR e forçando o fusível a queimar. O efeito será aproximadamente o mesmo que derrubar um pé de cabra de aço sólido diretamente sobre os terminais de saída da fonte de alimentação, daí o nome do circuito.

A maioria das aplicações do SCR é para controle de energia CA, apesar do fato de que os SCRs são inerentemente dispositivos CC (unidirecionais). Se a corrente do circuito bidirecional for necessária, vários SCRs podem ser usados, com um ou mais voltados para cada direção para lidar com a corrente em ambos os meio-ciclos da onda CA. O principal motivo pelo qual os SCRs são usados ​​para aplicações de controle de energia CA é a resposta única de um tiristor a uma corrente alternada. Como vimos, o tubo de tiratron (a versão do tubo de elétrons do SCR) e o DIAC, um dispositivo histerético acionado durante uma parte de um meio-ciclo AC travará e permanecerá ligado durante o resto do meio-ciclo até o AC a corrente diminui para zero, pois deve iniciar o próximo meio-ciclo. Um pouco antes do ponto de cruzamento zero da forma de onda da corrente, o tiristor será desligado devido à corrente insuficiente (esse comportamento também é conhecido como comutação natural) e deve ser disparado novamente durante o próximo ciclo. O resultado é uma corrente de circuito equivalente a uma onda senoidal “cortada”. Para revisão, aqui está o gráfico da resposta de um DIAC a uma tensão CA cujo pico excede a tensão de interrupção do DIAC:(Figura abaixo)



Resposta bidirecional DIAC

Com o DIAC, esse limite de tensão de breakover era uma quantidade fixa. Com o SCR, temos controle sobre exatamente quando o dispositivo fica travado, disparando a porta em qualquer ponto no tempo ao longo da forma de onda. Ao conectar um circuito de controle adequado à porta de um SCR, podemos “cortar” a onda senoidal em qualquer ponto para permitir o controle de potência proporcional ao tempo para uma carga.

Pegue o circuito na Figura abaixo como exemplo. Aqui, um SCR é posicionado em um circuito para controlar a energia para uma carga de uma fonte CA.


Controle SCR de energia AC

Por ser um dispositivo unidirecional (unidirecional), no máximo, podemos fornecer energia de meia onda para a carga, no meio-ciclo de CA onde a polaridade da tensão de alimentação é positiva na parte superior e negativa na parte inferior. No entanto, para demonstrar o conceito básico de controle proporcional ao tempo, este circuito simples é melhor do que um que controla a energia de onda completa (o que exigiria dois SCRs).

Sem acionamento para o gate e a tensão da fonte CA está bem abaixo da classificação de tensão de breakover do SCR, o SCR nunca liga. Conectar a porta SCR ao ânodo através de um diodo retificador padrão (para evitar corrente reversa através da porta no caso do SCR contendo um resistor porta-cátodo embutido), permitirá que o SCR seja acionado quase imediatamente no início de cada semiciclo positivo:(Figura abaixo)



Gate conectado diretamente ao ânodo através de um diodo; corrente de meia onda quase completa através da carga.

Atraso do Disparo SCR

Podemos atrasar o disparo do SCR, entretanto, inserindo alguma resistência no circuito da porta, aumentando assim a quantidade de queda de tensão necessária antes que uma corrente de porta suficiente dispare o SCR. Em outras palavras, se tornarmos mais difícil o fluxo de corrente através da porta adicionando uma resistência, a tensão CA terá que atingir um ponto mais alto em seu ciclo antes que haja corrente de porta suficiente para ligar o SCR. O resultado está na figura abaixo.



Resistência inserida no circuito da porta; menos de meia onda de corrente através da carga.

Com a onda de meia seno cortada em um grau maior por um disparo retardado do SCR, a carga recebe menos energia média (a energia é fornecida por menos tempo ao longo de um ciclo). Ao tornar o resistor de porta em série variável, podemos fazer ajustes para a potência proporcional ao tempo:(Figura abaixo)



Aumentar a resistência aumenta o nível de limite, fazendo com que menos energia seja entregue à carga. Diminuir a resistência diminui o nível de limite, fazendo com que mais potência seja entregue à carga.

Infelizmente, este esquema de controle tem uma limitação significativa. Ao usar a forma de onda da fonte CA para o nosso sinal de disparo SCR, limitamos o controle à primeira metade do meio-ciclo da forma de onda. Em outras palavras, não é possível esperarmos até depois do pico da onda para acionar o SCR. Isso significa que podemos desligar a energia apenas até o ponto em que o SCR liga no pico da onda:(Figura abaixo)



Circuito na configuração de potência mínima

Aumentar mais o limite do acionador fará com que o circuito não seja acionado, pois nem mesmo o pico da tensão de alimentação CA será suficiente para acionar o SCR. O resultado será falta de energia para a carga.

Uma solução engenhosa para este dilema de controle é encontrada na adição de um capacitor de mudança de fase ao circuito:(Figura abaixo)



Adição de um capacitor de mudança de fase ao circuito



A forma de onda menor mostrada no gráfico é a tensão no capacitor. Para ilustrar a mudança de fase, estou assumindo uma condição de resistência de controle máxima onde o SCR não está disparando sem corrente de carga, exceto pela pouca corrente que passa pelo resistor de controle e capacitor. A tensão do capacitor será alterada de fase em qualquer lugar de 0o a 90o, ficando atrás da forma de onda CA da fonte de alimentação. Quando essa tensão com mudança de fase atingir um nível alto o suficiente, o SCR será acionado.

Com tensão suficiente no capacitor para acionar periodicamente o SCR, a forma de onda da corrente de carga resultante será semelhante à Figura abaixo)



O sinal de mudança de fase aciona a SCR para a condução.

Como a forma de onda do capacitor ainda está aumentando depois que a forma de onda da energia CA principal atingiu seu pico, é possível disparar o SCR em um nível de limite além desse pico, cortando assim a onda da corrente de carga mais do que era possível com o circuito mais simples. Na realidade, a forma de onda da tensão do capacitor é um pouco mais complexa do que a mostrada aqui, sua forma senoidal distorcida toda vez que o SCR se conecta. No entanto, o que estou tentando ilustrar aqui é a ação de disparo retardada obtida com a rede RC de deslocamento de fase; assim, uma forma de onda simplificada e não distorcida atende bem ao propósito.

Disparando SCR por circuitos complexos

Os SCRs também podem ser disparados ou “disparados” por circuitos mais complexos. Embora o circuito mostrado anteriormente seja suficiente para uma aplicação simples como um controle de lâmpada, grandes controles de motores industriais frequentemente dependem de métodos de disparo mais sofisticados. Às vezes, os transformadores de pulso são usados ​​para acoplar um circuito de disparo ao gate e ao cátodo de um SCR para fornecer isolamento elétrico entre os circuitos de disparo e de alimentação.



O acoplamento do transformador do sinal de disparo fornece isolamento.

Quando vários SCRs são usados ​​para controlar a energia, seus cátodos geralmente não são eletricamente comuns, tornando difícil conectar um único circuito de disparo a todos os SCRs igualmente. Um exemplo disso é o retificador de ponte controlada mostrado na Figura abaixo.



Retificador de ponte controlada

Em qualquer circuito retificador de ponte, os diodos retificadores (neste exemplo, os SCRs retificadores) devem conduzir em pares opostos. SCR1 e SCR3 devem ser disparados simultaneamente, e SCR2 e SCR4 devem ser disparados juntos como um par. Como você notará, no entanto, esses pares de SCRs não compartilham as mesmas conexões de cátodo, o que significa que não funcionaria simplesmente em paralelo suas respectivas conexões de porta e conectar uma única fonte de tensão para acionar ambos:(Figura abaixo)



Esta estratégia não funcionará para acionar SCR2 e SCR4 como um par.

Embora a fonte de tensão de acionamento mostrada acione o SCR4, ela não acionará o SCR2 corretamente porque os dois tiristores não compartilham uma conexão de cátodo comum para fazer referência a essa tensão de acionamento. Transformadores de pulso conectando as duas portas de tiristor a uma fonte de tensão de disparo comum funcionarão, no entanto:(Figura abaixo)



O acoplamento do transformador das portas permite o acionamento de SCR2 e SCR4.

Lembre-se de que este circuito mostra apenas as conexões de porta para dois dos quatro SCRs. Os transformadores de pulso e as fontes de disparo para SCR1 e SCR3, bem como os detalhes das próprias fontes de pulso, foram omitidos por uma questão de simplicidade.

Os retificadores de ponte controlados não se limitam a projetos monofásicos. Na maioria dos sistemas de controle industrial, a energia CA está disponível em uma forma trifásica para máxima eficiência, e os circuitos de controle de estado sólido são construídos para tirar vantagem disso. Um circuito retificador trifásico controlado construído com SCRs, sem transformadores de pulso ou circuito de disparo mostrado, seria semelhante à figura abaixo.



Controle de carga SCR da ponte trifásica

REVER: Um retificador controlado por silício, ou SCR, é essencialmente um diodo Shockley com um terminal extra adicionado. Esse terminal extra é chamado de portão e é usado para acionar o dispositivo em condução (travá-lo) pela aplicação de uma pequena tensão. Para acionar, ou disparar, um SCR, a tensão deve ser aplicada entre a porta e o cátodo, positiva para a porta e negativa para o cátodo.

Ao testar um SCR, uma conexão momentânea entre o gate e o ânodo é suficiente em polaridade, intensidade e duração para acioná-lo. Os SCRs podem ser disparados por um disparo intencional do terminal do gate, voltagem excessiva (quebra) entre o ânodo e o cátodo ou uma taxa excessiva de aumento de voltagem entre o ânodo e o cátodo. Os SCRs podem ser desligados pela queda da corrente do ânodo abaixo do valor da corrente de retenção (queda de baixa corrente) ou pelo “disparo reverso” da porta (aplicando uma tensão negativa à porta). O disparo reverso só é eficaz às vezes e sempre envolve alta corrente de porta.

Uma variante do SCR chamada tiristor Gate-Turn-Off (GTO), é especificamente projetada para ser desligada por meio de disparo reverso. Mesmo assim, o disparo reverso requer uma corrente bastante alta:normalmente 20% da corrente do ânodo. Os terminais SCR podem ser identificados por um medidor de continuidade:os únicos dois terminais que mostram alguma continuidade entre eles devem ser a porta e o cátodo. Os terminais da porta e do cátodo se conectam a uma junção PN dentro do SCR, portanto, um medidor de continuidade deve obter uma leitura semelhante a um diodo entre esses dois terminais com o fio vermelho (+) na porta e o fio preto (-) no cátodo. Cuidado, porém, que alguns SCRs grandes têm um resistor interno conectado entre a porta e o cátodo, o que afetará quaisquer leituras de continuidade feitas por um medidor.

Os SCRs são verdadeiros retificadores:eles só permitem a passagem de corrente em uma direção. Isso significa que eles não podem ser usados ​​sozinhos para controle de energia CA de onda completa. Se os diodos em um circuito retificador forem substituídos por SCRs, você terá os ingredientes de um circuito retificador controlado, em que a energia CC para uma carga pode ser proporcional ao tempo, acionando os SCRs em diferentes pontos ao longo da forma de onda da energia CA.

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