Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA - TIRISTORES - Professor Lucas Tenório de Souza Silva 1 – TIRISTORES 1 – TIRISTORES Tiristor é uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime de chaveamento (on-off), e tem em comum uma estrutura com 4 camadas de material semicondutor (pnpn). Fazem parte da família de tiristores: SCR - Retificador Controlado de Silício – (mais difundido) DIAC - tiristor diodo bidirecional TRIAC - tiristor triodo bidirecional GTO - tiristor comutável pela porta MCT - Tiristor controlado por MOS PUT - tiristor com disparo programável 1 – TIRISTORES Uma série da família de tiristores bastante comercializada é a série TIC, que possui nomenclatura bem estabelecida: #Observação: Cuidado para não confundir com família de transistores TIP. O primeiro número após o TIC: 1: significa que o tiristor é unidirecional 2: significa que o tiristor é bidirecional O segundo número indica o grau de corrente anódica: Quanto maior, maior será a corrente, ou seja: IAmax(TIC126) > I Amax(TIC106) A letra indica a máxima tensão reversa que o componente pode suporta; 1 – TIRISTORES Todo circuito contendo tiristores pode ser dividido em duas malhas (etapas): Malha de Potência ou de Força: é a malha que alimenta a carga e que possui de maior corrente e tensão. Malha de Disparo, Acionamento ou de Controle: é a malha que alimenta o gate do tiristor (aciona) e possui corrente bem inferior comparada com a corrente principal. 2 – SCR 2 – RETIFICADOR CONTROLADOR DE SILÍCIO O SCR é composto por 4 camadas semicondutoras e possui três terminais: Anodo Catodo Gate. O primeiro SCR foi batizado de Thyratron Sólido (funcionamento semelhança com a válvula Thyratron). O SCR é um tiristor unidirecional (similar ao diodo) com um terminal (gate) de disparo próximo ao catodo e bastante popular por ser utilizado em diversas aplicações, similar a um relé de único contato. 2 – SCR Vantagens de utilizar um SCR em relação ao relé: Inexistência de partes móveis: Não há contatos para serem limpos, nem trocados quando há corrosão. Sem os contatos, não existe centelhamento; Não possui mola para ser tocada O tiristor tem vida útil maior do que o relé; O tiristor tem chaveamento mais rápido do que o relé. Desvantagens de utilizar um SCR em relação ao relé: O tiristor não é uma chave ideal. Possui queda de tensão (VTM) entre 0,7V e 2V. Cada tiristor representa apenas um contato, enquanto em um relé pode haver mais de um. 2 – SCR O SCR possui dois circuitos equivalentes (didáticos) que facilitam a análise do seu funcionamento: Com diodos Com transistores. 2 – SCR 2.1 –Funcionamento do SCR A análise do comportamento do SCR pode ser realizada em três diferentes polarizações: Polarização reversa anodo-catodo e gate aberto (1); Polarização direta anodo-catodo e gate aberto (2); Polarização direta do anodo-catodo e do gate-catodo (3). A análise do funcionamento do SCR pode ser feita por meio da sua curva característica: 2 – SCR 11211 ,)(,: CBBCBfugaDRMCC IIacionaIIIIVVSe 2.1.1 – Pol. reversa anodo-catodo e gate sem sinal: VAC<0V: SCR estará bloqueado, mesmo com o sinal do gate, e VAC= -Vcc (negativa). Se -Vcc<VBR (Tensão de Breakdown), o SCR poderá ser danificado permanentemente. Este valor deve ser observado quando o SCR for utilizado em aplicações com corrente alternada. 2.1.2 – Pol. direta anodo-catodo e gate sem sinal: Sem o sinal de gate, enquanto VAC VBO=VDRM (Tensão de Breakover), o SCR permanecerá bloqueado e VCA=Vcc. Se Vcc ultrapassar o valor VBO, mesmos sem o sinal do Gate, o SCR será foçado a conduzir e VAC reduz de Vcc para uma tensão de condução (0,7 a 2,0V dependendo da corrente). Isto ocorre porque a corrente de fuga simula o sinal do gate e ocorre a realimentação positiva (circuito equivalente transistor): 2 – SCR 2.1.3 – Pol. direta: anodo-catodo e gate-catodo Sem o sinal do gate e Vcc < VBO, a tensão VAC será igual a Vcc. Com Vcc <VBO e ocorrendo o disparo através de um circuito básico de acionamento (Rg e Vg) polarizando o gate (VGC positivo), o SCR entrará em condução somente quando IA for maior que IL (corrente de retenção). Com o SCR já conduzindo, a condução dependerá da corrente anódica IA, podendo retirar o sinal de gate. Para efetuar o bloqueio do SCR, a corrente anódica (IA) deverá ser menor do que a corrente de manutenção (IH), ou seja IA<IH. Observação: Quando o SCR conduz, ele apresenta uma queda de tensão entre anodo-catodo entre 0,7V e 2V. O valor de tensão Vcc (igual a VCA quando Bloqueado) influenciará na corrente de disparo (IG). Quanto maior Vcc, menor a necessidade de IG. 2 – SCR 2.2 –Principais Parâmetros do SCR Os principais parâmetros encontrados nos datasheets dos SCRs são: VDRM ou VBO – Tensão de ruptura direta máxima de VAC. VRRM ou VBR– Tensão de ruptura reversa máxima de VAC. ITrms – é a máxima corrente eficaz no anodo; IT(AV) – é a máxima corrente média no anodo; ITM – Corrente anódica máxima 2 – SCR IGT – corrente de disparo do gate (Min e Max) VGT – tensão de disparo do gate (aproximadamente: 0,7V) IH – Corrente anódica de manutenção (sustentação) – limiar entre o corte e a condução do SCR. Geralmente IH=IL/2; VT - tensão de anodo-catodo, quando esta em condução. IL – Corrente anódica de retenção (disparo) mínima para que o SCR continue funcionando sem a presença do sinal do gate. dV/dt – Máxima Variação de Tensão quando o SCR esta bloqueado 2 – SCR 2.2.1 – Tipos de Encapsulamentos: Os SCRs podem ser construído com vários tipos de encapsulamentos, sendo que os de grande potência apresentam: SCR tipo parafuso ou rosca (1): Possuem quatro terminais, sendo que possui dois catodos, um para o circuito de potência e outro para o circuito de disparo. SCR tipo disco (2): Também possui quatro terminais, mas tem o formato de disco e permite a conexão de dois dissipadores, um de cada lado. SCR tipo Thyodul (3): Este componente possui dois elementos de potência e, por este motivo, pode ser utilizador para otimizar a construção de equipamentos. 1 2 3 2 – SCR 2.3 – SCR em SÉRIE E em PARALELO Para controlar valores de corrente e tensão muito elevada, circuitos com SCR podem conectá-los em série ou paralelo. Série: é necessária quando pretende-se alimentar cargas com tensão superior a tensão de bloqueio direto (VBO). Em Série a corrente de fuga será a mesma e cada SCR apresenta tensão VCA diferentes, quando bloqueados. O equilíbrio de tensões é importante para evita problemas durante: Transição ao conduzir e bloquear (tempos diferente faz com que um deles seja submetido a tensões maior que seu limite). O equilíbrio é obtido colocando resistores (R1 e R2) e circuitos snubbers em paralelo com os SCR. )( )(2 12 21 SCR Menor SCR Maior SCRSCRMAIOR II VVV R 2 – SCR Paralelo: é necessária quando a corrente da carga é superior a corrente de um único SCR (IA>ITrms). Em Paralelo a tensão VCA será a mesma e cada SCR apresenta correntes IA de condução diferentes. O equilíbrio de corrente é importante evita problemas durante: Condução (aquecimento diferente); e a Transição do chaveamento(tempos diferente faz com que um deles seja submetido a corrente maior que seu limite) O equilíbrio de corrente é obtido colocando resistores em série com cada SCR, os mesmos provocam perda extra de potência, ou colocando um reator com terminal central. Com o reator, ao fazer a transição de estados a maior variação de corrente induzirá uma tensão proporcional ao desbalanceamento. )( 12 SCRMenor SCR Maior TMmenorTMmaior II VV R 2 – SCR 2.4 – Tipos de Disparos do SCR O SCR pode ser acionado de forma intencional ou não. E para evitar os disparos indesejáveis, são necessários circuitos de proteção. O SCR pode ser disparado das seguintes maneiras: Disparo por pulso no gate (desejável): VGC positivo, IGT suficiente para disparar e IT>IH(manutenção). Disparo por Luz (desejável): a incidência de luz diretamente nas junções dispara o SCR, chamados de LASCR (SCR ativados com Luz). Disparo por tensão de Breakover (VBO): VAC > VBO(VDRM) 2 – SCR Disparo por ruído: alguns SRC são bastante sensíveis a sinais externos(ruídos), provocando disparos indesejáveis. Evita-se colocando um resistor ente Gate e Catodo (RCG) Disparo por temperatura: aumento de temperatura aumenta corrente de fuga e reduz a tensão VBO do SCR podendo provocar o disparo indesejável. Evita-se dimensionando correntemente dissipadores e fazendo resfriamento forçado. Disparo por alta frequência (efeito dV/dt): a característica capacitiva das junções junto com variações rápidas da tensão VAC (frequência) podem fazer o disparo indesejável do SCR. Evita- se colocando um SNUBBER, circuito amortecedor, em paralelo com o SCR. Capacitor: evita que a tensão mude instantaneamente; Resistor: limita a variação de corrente do capacitor descarrega; Diodo: propicia da derivação da corrente do capacitor ao carregar, em tensão direta. max dtdi V R DRMS max dtdvR V C L DRM S 2 – SCR 2.5 –Polarização e Análise de Circuitos com SCR A Polarização (dimensionamento) do circuito com SCR baseia-se no cálculo resistores (RL e RG) que limitam as correntes: Corrente de gate (IGT) Corrente anódica (IT) A análise do circuito é calcular os valores de corrente e tensão dos componentes do circuito, com os resistores já especificados. Ambas ações é baseada na análise das malhas: Malha/Circuito de disparo Malha de Potência 2.5.1 – Circuitos de Disparos de SCR Os circuitos de acionamento devem fornecer o sinal de disparo no tempo correto e de modo para assegurar a transição de estado. Os circuitos de acionamento devem: Produzir um sinal de amplitude adequada e tempo de subida suficiente curto; Produzir um sinal com duração adequada; Fornecer um controle de disparo preciso; Assegurar que o acionamento não ocorra por um sinal falso ou ruído. Em aplicações AC, assegurar que o sinal seja aplicado, quando o SCR estiver diretamente polarizado; Assegurar o acionamento simultâneo dos SCRs em série ou paralelo. 2 – SCR 2 – SCR Existem três sinais básicos de disparo: Sinal DC Sinal AC Sinal Pulsado Observação: A medida que a amplitude do sinal de disparo aumenta, o tempo de passagem para o estado ligado do SCR diminui e a largura do pulso pode ser reduzida; 2 – SCR A) Circuito com disparo DC: Este é um circuito simples com acionamento DC. Em ambos os caso, a corrente IG deve atingir um valor mínimo para que ocorra o disparo. Para isto é necessário dimensionar RG. Para dimensioná-lo é preciso conhecer IGT, VGT e a tensão de alimentação do circuito de disparo. Em ambos os circuito existe um diodo que é utilizado para limitar a amplitude de um possível sinal negativo na porta. 2 – SCR Exemplo de dimensionamento do circuito de disparo: Determinar o valor de acionamento Vtrig para que o SCR conduza: Utiliza Lei das Malhas: Utiliza Lei dos Nós: Substituindo (II) em (I): 3020 2100 : GS GTGT RR VVmAI CircuitodoDados )( 0 IVRIV VRIV GKSSTRIG GKSSTRIG )(II R V II III G GK GS RGGS GKS G GK GTRIG VR R V IV VVTRIG 33,5220 30 2 1,0 2 – SCR B)Circuito com disparo AC: Este método de disparo é comumente usado e deriva o sinal de disparo a partir da fonte AC. No circuito a): o momento do disparo é controlado pelo reostato R2, que controla a corrente do gate. O diodo permite que o gate do SCR só seja disparado quando o semiciclo da fonte seja positivo. No circuito b): o controle do disparo é dada pela tensão do capacitor e esta é controlada pela célula (R1+R2)C. 2 – SCR Em circuitos AC, os instante de acionamento podem ser dados pelos ângulos do SCR: Ângulo de disparo (α): é o ângulo correspondente ao valor de tensão anodo- catodo em que o SCR dispara. Ângulo de corte (β): é o ângulo correspondente ao valor de tensão anodo- catodo em que o SCR corta. Ângulo de condução (Q): é o ângulo correspondente à diferença entre o ângulo de corte e o ângulo de disparo. trad sradfou T /2 2 180 graus rad 2 – SCR B.1)Valor de Corrente/Tensão RMS e Média Os valores RMS e Médio da corrente fornecida pelo SCR são dados pelas formulas: O valor RMS é dado pelo ângulo de condução pelas seguinte formula (senoidal e retangular): O valor médio deve ser calculado pela integral. Para os sinais senoidal ou retangular pode usa as seguintes fórmula: T RMS dtti T I 0 2 )( 1 T CC dtti T I 0 )( 1 0tdisparo 2 )2( 1 2 00 tsentII PsenoideRMS 2 )cos(1 0tII PsenoideCC 2 – SCR C) Circuito com disparo Pulso: O disparo por sinal pulsado reduz a dissipação de potência no gate. Observe que existem transformadores de pulso, que serve como isoladores elétricos. Os transformadores de pulso, assim como os acopladores ópticos, são bastante importantes para chaveamento de mais de um SCR, a partir da mesma fonte. 2 – SCR Circuito com disparo para SCR em Série ou Paralelo: O acionamento de SCR em série e paralelo devem ser feito a partir da mesma fonte, no mesmo instante e com uma tensão relativamente alta. O uso de transformador de pulso, além de fornecer o isolamento elétrico, também é a garantia que todas as portas serão acionada simultaneamente. 2 – SCR Usando acoplamento óptico ou diac: O acionamento via acopladores ópticos, além de isolar eletricamente a malha de controle da malha de potência, também evitam acionamento falso a partir de ruídos e transitórios. No circuito ao lado, utiliza-se um DIAC para acionar o SCR e a celula RC para temporizar esse pulso. 2 – SCR Circuito Integrado para Disparo - TCA785 O uso de Cis como circuito de disparo se torna necessário quando o SCR é de grande potência, de modo que sinais gerados pelos circuitos osciladores tornaram insuficientes para efetuar os disparo. O TCA 785 é um circuito integrado dedicado para disparo de tiristores e apresenta as seguintes características: Largo Campo de aplicações devido à possibilidadede controle externo. Operação em Circuito Trifásicos Utilizando 3 CI’s Duas saídas com corrente de disparo (250mA), duas saídas adicionais complementares (invertida); Duração do pulso de disparo determinado por um capacitor externo; 2 – SCR Detecção de passagem de tensão por zero volt, indicado também com “chave de ponto zero” Possibilidade de inibição dos pulsos de disparo; Faixa de tensão de alimentação de 8V a 18V; Consumo interno de corrente até 10mA. O princípio básico do funcionamento deste circuito consiste em utilizar uma amostra do sinal para detectar o início e então começar um rampa de subida que será comparada com a tensão de controle para gerar os pulsos. 2 – SCR Funções resumidas pino a pino: 01: Terra. 02: Saída complementar do pino 15, em coletor aberto. 03: Saída de pulso positivo, em coletor aberto. 04: Saída complementar do pino 14, em coletor aberto. 05: Entrada de Sincronismo (diodos em antiparalelo). 06: Inibe todas as saídas (quando aterrado). 07: Saída em coletor aberto para acionar Triacs. 08: Fornece 3.1V estabilizado. 09: Potenciômetro de ajuste de rampa ( 20<R9>500K). 10: Capacitor de formação de rampa (C10 ≤0.5µF ). 11: Entrada de Tensão de controle (nível/CC). 12: Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15. 13: Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15. 14: Saída de pulso positivo no semiciclo positivo. 15: Saída de pulso positivo no semiciclo negativo. 16: Alimentação CC 2 – SCR Circuito Interno e Diagrama de Pulsos 01: Terra do TCA785 08: Fornece 3.1V estabilizado. 09: Potenciômetro de ajuste de rampa ( 20<R9>500K). 10: Capacitor de formação de rampa (C10 ≤0.5µF ). 11: Entrada de Tensão de controle (nível/CC). 06: Inibe todas as saídas (quando aterrado). 13: Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15. 12: Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15. 16: Alimentação CC 2 – SCR 2.4.2 – Circuito de Desligamento de SCRs A única maneira de levar o SCR para o estado desligado é reduzir a corrente de ânodo IA. Segundo o Ahmed, o processo de passagem para o estado desligado é conhecido como comutação. Em aplicações AC, a comutação ocorre durante o semiciclo negativo e este método é denominado natural ou comutação de linha. Em aplicações DC, a comutação é feita por circuitos adicionais que forçam uma corrente inversa através do SCR, até que a mudança para o estado desligado seja completa. Este método é denominado de comutação forçada. 2 – SCR A comutação do SCR pode ser feito através das seguintes maneiras: Desviando a corrente do ânodo por um caminho alternativo; Curto-circuitando o ânodo com o cátodo do SCR; Aplicando uma tensão inversa (+ no cátodo e – no ânodo) no SCR; Forçando a corrente do ânodo a cair a zero por um período breve. As comutações podem ser feitas por: Capacitores; Transistores; Fonte externa. 2 – SCR A) Circuito de Comutação com Capacitor: Quando o SCR1 funciona, o capacitor C carrega com tensão aproximadamente VS através do resistor RL. Para comutar o SCR1, é necessário acionar o SCR2, para que seja aplicado uma tensão inversa no SCR1 com a tensão capacitor, que ficará em paralelo. O capacitor pode ser dimensionado pela seguinte fórmula: Td: é o tempo de desligamento (descida); L d R t C 693,0 2 – SCR B) Circuito de Comutação com Transistor: Neste circuito, o transistor Q funciona como uma chave, fazendo com que a corrente do anodo possua um caminho alternativo, em tempo suficiente para permitir que o SCR comutar. Este circuito não é um método muito útil para operações repetitivas, pois o SCR não esta inversamente polarizado. 2 – SCR C) Circuito de Comutação com Fonte Externa: Quando o SCR for acionado, a corrente fluirá por ele, pelo secundário do transformador e pela carga. Para que o SCR comute, um pulso positivo do transformador de pulso é aplicado no catodo suficiente para carregar o capacitor com 1Volt forçando a comutação do SCR. 2 – SCR 2.5 – Calculo das Perdas e Frequência do SCR Durante o ciclo de chaveamento o SCR apresenta as seguintes perdas de potência: Perda por Condução (Estado Ligado): dada por IT(RMS) e IGT: Perda por Não Condução (Estado Desligado): Perda por Chaveamento: é dada pela perda causa da pela transição de estados T t IVP onRMSTTMON )( T t IVP disparo GGTgate T t IVP off RRMRRMOFF fttIVP dSRMSTRRMoChaveament )( 6 1 )( 2 – SCR Dependendo da frequência, o SCR pode ser de: Chaveamento Lento ou controle de fase: tempo de transição é maior, por isso utilizado em frequências baixas; Chaveamento Rápido ou Inversor: tempo de transição pequeno, com aplicações em alta frequência. SCRs de Chaveamento Rápido possui perda por chaveamento significante e dessa forma deve-se limitar a frequência máxima de chaveamento com a seguinte fórmula: )( 6 1 )( dSRMSTRRMoChaveament ttIVW oChaveament OFFON LIMITE W PP f 2 – SCR Exemplo: Determine as perdas totais de potência para o SCR controlar uma carga de 25KW, com frequência de 100Hz e ciclo de trabalho igual a 50%: Dados do SCR: Período, Tempo de ligado e desligado: Como o tempo de chaveamento é muito pequeno, pode-se desprezá-lo e determinar t(on) e t(off). stst VVmAI VVAI mAIVV DS GTGT TMRMST FUGARRM 255 7,040 5,150 5500 )( dsOFFON ttttT T t tt t d ON OFFON ON mstt OFFON 97.9025,0005,010 mstON 55,010 mstOFF 5 chavef T 1 msT 10 100 1 2 – SCR Potência no estado Ligado: Período e Potência no estado desligado: Perdas por chaveamento: stst VVmAI VVAI mAIVV DS GTGT TMRMST FUGARRM 255 7,040 5,1100 5700 )( T t IVP onATMON T t IVP onGGTgate WPON 5,375,0505,1 mWPgate 4,15,01047,0 3 WPOFF 25,15,0105500 3 T t IVP off fugaRRMOFF A V P I RL RL A 00,50 500 25000 fttIVP dSRMSTRRMoChaveament )( 6 1 )( WP oChaveament 5,12100)30(50500 6 1 2 – SCR Frequência de chaveamento limite: stst VVmAI VVAI mAIVV DS GTGT TMRMST FUGARRM 255 7,040 5,1100 5700 )( JW oChaveament 125,0)30(50500 6 1 HzfLIMITE 11,310 125,0 25,1014,05,37 )( 6 1 )( dSRMSTRRMoChaveament ttIVW oChaveament OFFON LIMITE W PP f 10 – EXERCÍCIOS AHMED, Ahsfaq. Eletrônica De Potência. Pearson Education do Brasil Ltda, 2002. Capitulo 3: Estão aptos a fazer todos exercícios Preferencialmente: 1 até o 19.
Compartilhar