Como funcionam os tiristores (SCR) - Tutorial

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Basicamente, um SCR (Retificador Controlado por Silício), também conhecido pelo nome de Tiristor, funciona como um transistor.

O que SCR significa

O dispositivo recebe esse nome (SCR) devido à sua estrutura interna de semicondutor multicamadas, que se refere à palavra 'silício' no início de seu nome.



A segunda parte do nome 'Controlado' refere-se ao terminal de porta do dispositivo, que é comutado com um sinal externo para controlar a ativação do dispositivo e, portanto, a palavra 'Controlado'.

E o termo 'retificador' significa a propriedade de retificação do SCR quando sua porta é acionada e a energia pode fluir através de seu ânodo para os terminais de cátodo, isso pode ser semelhante à retificação com um diodo retificador.



A explicação acima deixa claro como o dispositivo funciona como um 'Retificador Controlado por Silício'.

Embora um SCR retifique como um diodo e imite um transistor devido ao seu recurso de disparo com um sinal externo, uma configuração interna do SCR consiste em um arranjo de semicondutor de quatro camadas (PNPN) que é composto de junções PN de 3 séries, ao contrário de um diodo que tem uma configuração de semicondutor de 2 camadas (PN) ou um transistor que inclui uma configuração de semicondutor de três camadas (PNP / NPN).

Você pode consultar a imagem a seguir para compreender o layout interno das junções semicondutoras explicadas e como funcionam os tiristores (SCR).

Outra propriedade SCR que corresponde distintamente a um diodo são suas características unidirecionais, que permitem que a corrente flua apenas em uma direção através dele, e bloqueie do outro lado enquanto ele está ligado, tendo dito que os SCRs têm outra natureza especializada que permite que eles sejam operados como um interruptor aberto enquanto no modo desligado.

Esses dois modos extremos de comutação em SCRs restringem esses dispositivos de amplificar sinais e estes não podem ser usados ​​como transistores para amplificar um sinal pulsante.

Os retificadores controlados de silício ou os SCRs, assim como os Triacs, Diacs ou UJTs, todos têm a propriedade de atuar como comutadores CA de estado sólido rapidamente enquanto regulam um determinado potencial ou corrente CA.

Portanto, para engenheiros e amadores, esses dispositivos se tornam uma excelente opção de interruptor de estado sólido quando se trata de regular dispositivos de comutação CA, como lâmpadas, motores e interruptores dimmer com eficiência máxima.

Um SCR é um dispositivo semicondutor de 3 terminais que são atribuídos como ânodo, cátodo e porta, que por sua vez são feitos internamente com 3 junções P-N, tendo a propriedade de comutar a uma velocidade muito alta.

Assim, o dispositivo pode ser comutado em qualquer taxa desejada e períodos LIGA / DESLIGA discretamente ajustados, para implementar um tempo médio de LIGAR ou DESLIGAR para uma carga.

Tecnicamente, o layout de um SCR ou tiristor pode ser entendido comparando-o a um par de transistores (BJT) conectados em ordem inversa, de modo a formar como um par regenerativo complementar de interruptores, como mostrado na imagem a seguir :

Analogia de dois transistores de tiristores

O circuito equivalente de dois transistores mostra que a corrente de coletor do transistor NPN TR2 alimenta diretamente a base do transistor PNP TR1, enquanto a corrente de coletor de TR1 alimenta a base de TR2.

Esses dois transistores interconectados dependem um do outro para a condução, pois cada transistor obtém sua corrente base-emissora da corrente coletor-emissor do outro. Então, até que um dos transistores receba alguma corrente de base, nada pode acontecer, mesmo se uma tensão ânodo para cátodo estiver presente.

Simular a topologia SCR com uma integração de dois transistores revela que a formação é de uma maneira tal que a corrente do coletor do transistor NPN está sendo fornecida diretamente para a base do transistor PNP TR1, enquanto a corrente do coletor do TR1 está conectando a fonte com o base de TR2.

A configuração simulada de dois transistores parece se interligar e complementar a condução um do outro ao receber a unidade de base do coletor emissor de corrente do outro, isso torna a tensão da porta muito crucial e garante que a configuração mostrada nunca pode conduzir até que um potencial da porta seja aplicado, mesmo na presença do potencial ânodo para cátodo pode ser persistente.

Em uma situação em que o terminal do ânodo do dispositivo é mais negativo do que seu cátodo, permite que a junção N-P permaneça polarizada para frente, mas garantindo que as junções P-N externas sejam polarizadas reversamente de modo que atuem como um diodo retificador padrão.

Esta propriedade de um SCR permite que ele bloqueie um fluxo de corrente reversa, até que uma magnitude significativamente alta de tensão que pode estar além de suas especificações de bico seja infligida através dos cabos mencionados, o que força o SCR a conduzir mesmo na ausência de uma unidade de porta .

O acima refere-se a características críticas dos tiristores que podem fazer com que o dispositivo seja disparado indesejavelmente através de um pico reverso de alta tensão e / ou uma alta temperatura, ou um transiente de tensão dv / dt rapidamente crescente.

Agora, suponha que em uma situação em que o terminal ânodo experimente mais positivamente em relação ao seu condutor catódico, isso ajuda a junção P-N externa a se tornar polarizada para frente, embora a junção N-P central continue a permanecer polarizada reversa. Consequentemente, isso garante que a corrente direta também seja bloqueada.

Portanto, no caso de um sinal positivo induzido através da base do transistor NPN TR2, resulta na passagem da corrente de coletor em direção à base f TR1, o que em trun força a corrente de coletor a passar em direção ao transistor PNP TR1 impulsionando a unidade de base de TR2 e o processo é reforçado.

A condição acima permite que os dois transistores aumentem sua condução até o ponto de saturação devido ao seu loop de realimentação de configuração regenerativa mostrado que mantém a situação intertravada e travada.

Assim, assim que o SCR é acionado, ele permite que uma corrente flua de seu ânodo para o cátodo com apenas uma resistência mínima à frente vindo no caminho, garantindo uma condução e operação eficientes do dispositivo.

Quando submetido a um AC, o SCR pode bloquear ambos os ciclos do AC até que o SCR seja oferecido com uma tensão de disparo através de sua porta e cátodo, o que permite instantaneamente que o meio ciclo positivo do AC passe pelos terminais ânodo cátodo, e o dispositivo começa a imitar um diodo retificador padrão, mas apenas enquanto o gatilho do gate permanece ligado, a condução é interrompida no momento em que o gatilho é removido.

As curvas de tensão-corrente ou características I-V aplicadas para a ativação de um retificador controlado de silício podem ser testemunhadas na seguinte imagem:

Curvas de características do tiristor I-V

No entanto, para uma entrada DC, assim que o tiristor é ativado, devido à condução regenerativa explicada, ele sofre uma ação de travamento de modo que a condução do ânodo para o cátodo se mantém e continua conduzindo mesmo se o gatilho do gate for removido.

Assim, para uma alimentação CC, a porta perde completamente sua influência uma vez que o primeiro pulso de disparo é aplicado através da porta do dispositivo, garantindo uma corrente travada de seu ânodo ao cátodo. Ele pode ser interrompido interrompendo momentaneamente a fonte de corrente anodo / catodo enquanto a porta está completamente inativa.

SCR não pode funcionar como BJTs

Os SCR não são projetados para serem perfeitamente analógicos como as contrapartes do transistor e, portanto, não podem ser conduzidos em alguma região ativa intermediária para uma carga que pode estar em algum lugar entre a condução completa e o desligamento completo.

Isso também é verdade porque o gatilho de porta não tem influência sobre o quanto o ânodo para cátodo pode ser conduzido ou saturado, portanto, mesmo um pequeno pulso de porta momentâneo é suficiente para balançar a condução do ânodo para cátodo em um interruptor completo LIGADO.

O recurso acima permite que um SCR seja comparado e considerado como uma trava biestável que possui os dois estados estáveis, um LIGADO completo ou um DESLIGADO completo. Isso é causado devido às duas características especiais do SCR em resposta a uma entrada CA ou CC, conforme explicado nas seções acima.

Como usar a porta de um SCR para controlar sua comutação

Conforme discutido anteriormente, uma vez que um SCR é acionado com uma entrada DC e seu cátodo ânodo é auto-travado, ele pode ser destravado ou desligado removendo momentaneamente a fonte de alimentação do ânodo (corrente do ânodo Ia) totalmente, ou reduzindo o mesmo a alguns nível significativamente baixo abaixo da corrente de retenção especificada do dispositivo ou da 'corrente de retenção mínima' Ih.

Isso implica que a corrente de retenção mínima do ânodo para o cátodo deve ser reduzida até que a ligação de travamento P-N interna dos tiristores seja capaz de restaurar sua característica natural de bloqueio em ação.

Portanto, isso também significa que, para fazer um SCR funcionar ou conduzir com um gatilho de porta, é imperativo que a corrente de carga do ânodo para cátodo esteja acima da 'corrente de retenção mínima' Ih especificada, caso contrário, o SCR pode falhar em implementar a condução de carga, portanto se IL é a corrente de carga, deve ser IL> IH.

No entanto, conforme já discutido nas seções anteriores, quando um AC é usado nos pinos Anode.Cathode do SCR, garante que o SCR não tenha permissão para executar o efeito de travamento quando o drive do gate for removido.

Isso ocorre porque o sinal AC liga e desliga dentro de sua linha de cruzamento zero, o que mantém a corrente do ânodo para cátodo SCR desligada a cada 180 graus de deslocamento do meio ciclo positivo da forma de onda AC.

Este fenômeno é denominado 'comutação natural' e impõe uma característica crucial para uma condução SCR. Ao contrário disso, com os suprimentos DC, esse recurso se torna irrelevante para os SCRs.

Mas, uma vez que um SCR é projetado para se comportar como um diodo retificador, ele responde efetivamente apenas aos semiciclos positivos de um CA e permanece polarizado reversamente e totalmente sem resposta à outra metade do ciclo do CA, mesmo na presença de um sinal de porta.

Isso implica que, na presença de um gatilho de porta, o SCR conduz através de seu ânodo para o cátodo apenas para os respectivos semiciclos AC positivos e permanece mudo para as outras semiciclos.

Devido ao recurso de travamento explicado acima e também ao corte durante a outra metade do ciclo de uma forma de onda CA, o SCR pode ser usado efetivamente para cortar os ciclos CA de fase de modo que a carga possa ser comutada em qualquer nível de energia inferior desejado (ajustável) .

Também conhecido como controle de fase, esse recurso pode ser implementado por meio de um sinal temporizado externo aplicado na porta do SCR. Este sinal decide após quanto atraso o SCR pode ser disparado, uma vez que a fase AC tenha iniciado seu semiciclo positivo.

Portanto, isso permite que apenas a parte da onda CA seja comutada que está sendo passada após o gatilho do gate ... este controle de fase está entre as principais características de um tiristor controlado por silício.

Como os tiristores (SCR) funcionam no controle de fase pode ser entendido olhando as imagens abaixo.

O primeiro diagrama mostra um SCR cuja porta é acionada permanentemente, como pode ser visto no primeiro diagrama, isso permite que a forma de onda positiva completa seja iniciada do início ao fim, através da linha central de cruzamento zero.

Controle de fase do tiristor

No início de cada meio-ciclo positivo, o SCR está “OFF”. Na indução do gate, a tensão ativa o SCR na condução e permite que ele seja totalmente travado “ON” durante o semiciclo positivo. Quando o tiristor é ligado no início do meio-ciclo (θ = 0o), a carga conectada (uma lâmpada ou qualquer similar) seria 'ON' para todo o ciclo positivo da forma de onda AC (meia onda AC retificada ) a uma tensão média elevada de 0,318 x Vp.

À medida que a inicialização do interruptor do gate na posição ON é elevada ao longo do meio ciclo (θ = 0o a 90o), a lâmpada conectada é acesa por um período menor e a tensão líquida trazida para a lâmpada da mesma forma, reduzindo proporcionalmente sua intensidade.

Posteriormente, é fácil explorar um retificador controlado de silício como um dimmer de luz CA e em muitas aplicações de energia CA adicionais diferentes, por exemplo: controle de velocidade do motor CA, dispositivos de controle de calor e circuitos reguladores de energia e assim por diante.

Até agora temos testemunhado que um tiristor é fundamentalmente um dispositivo de meia onda que é capaz de passar corrente apenas na metade positiva do ciclo sempre que o ânodo é positivo e impede o fluxo de corrente como um diodo nos casos em que o ânodo é negativo , mesmo se a corrente da porta permanecer ativa.

No entanto, você pode encontrar muitas outras variantes de produtos semicondutores semelhantes para escolher, originados sob o título de 'Tiristor', projetados para operar em ambas as direções dos meios ciclos, unidades de onda completa, ou que poderiam ser 'DESLIGADOS' pelo sinal do Gate .

Este tipo de produto incorpora 'Tiristores de desligamento de porta' (GTO), 'Tiristores de indução estática' (SITH), 'Tiristores controlados por MOS' (MCT), 'Chave controlada por silício' (SCS), 'Tiristores triodo' (TRIAC) e “Light Triggered Thyristors” (LASCR) para identificar alguns, com tantos desses dispositivos acessíveis em muitas tensões e correntes nominais diferentes, o que os torna interessantes para serem usados ​​em propósitos em níveis de potência muito elevados.

Visão geral do funcionamento do tiristor

Os retificadores controlados por silício, geralmente conhecidos como tiristores, são dispositivos semicondutores PNPN de três junções que podem ser considerados dois transistores interconectados que podem ser usados ​​na comutação de cargas elétricas pesadas operadas com rede.

Eles são caracterizados por serem travados - “LIGADOS” por um único pulso de corrente positiva aplicada ao seu condutor de Gate e podem continuar sendo “LIGADOS” indefinidamente até que a corrente ânodo para cátodo seja reduzida abaixo de sua medida mínima de travamento especificada ou revertida.

Atributos estáticos de um tiristor

Tiristores são equipamentos semicondutores configurados para funcionar apenas na função de chaveamento. Tiristores são produtos controlados por corrente, uma pequena corrente de porta é capaz de controlar uma corrente de ânodo mais substancial. Habilita a corrente apenas uma vez com polarização direta e corrente de disparo aplicada ao Gate.

O tiristor opera de forma semelhante a um diodo retificador sempre que é ativado “ON”. A corrente do ânodo deve ser mais do que sustentar o valor da corrente para preservar a condução. Inibe a passagem da corrente no caso de polarização reversa, independentemente de a corrente do Gate ser ligada ou não.

Assim que é ligado 'ON', fica travado 'ON', desempenhando independentemente se uma corrente de porta está sendo aplicada, mas apenas no caso de a corrente do ânodo estar acima da corrente de travamento.

Tiristores são interruptores rápidos que podem ser usados ​​para substituir relés eletromecânicos em vários circuitos, pois eles simplesmente não têm partes vibratórias, nem formação de arco de contato ou têm problemas de deterioração ou sujeira.

Mas, além de simplesmente alternar correntes substanciais “ON” e “OFF”, os tiristores podem ser realizados para gerenciar o valor RMS de uma corrente de carga CA sem dissipar uma quantidade considerável de energia. Um excelente exemplo de controle de potência do tiristor é o controle de iluminação elétrica, aquecedores e velocidade do motor.

No próximo tutorial, veremos alguns Circuitos tiristores e aplicações usando suprimentos AC e DC.




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