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Conhecendo e Usando SCRs (ART1779)

Um dos componentes mais utilizados em projetos que envolvem o controle de motores e de outras cargas de potência é o diodo controlado de silício ou SCR. Este semicondutor capaz de controlar correntes elevadas pode ser utilizado numa infinidade de projetos praticos de mecatrônica. Não há limite para que o projetista pode fazer com um SCR, no entanto, para isso é preciso conhecer este componente. Neste artigo vamos justamente analisar o princ¡pio de funcionamento do SCR e dar informações importantes ao leitor que permitam sua utilização em projetos.

O SCR é um dispositivo semicondutor da família dos Tiristores, ou seja, é um dispositivo de estado sólido usado no controle de potência ou controle de correntes elevadas. SCR ‚ a abreviação de Silicon Controlled Rectifier ou Retificador Controlado de Silício.

De uma forma mais, simples, pelo seu comportamento e símbolo que lembram um diodo, preferimos chamá-lo de Diodo Controlado de Silício.

A verdade é que o SCR se comporta exatamente como um diodo conduzindo a corrente entre o anodo e o catodo (num sentido único) mas, quando for disparado por meio de um sinal aplicado ao seu eletrodo de comporta.

A corrente que os SCRs podem conduzir entre o anodo e o catodo são muito intensas, mesmo para dispositivos de baixo custo, variando entre alguns ampères e dezenas de ampères.

Desta forma, ligados em série com dispositivos diversos eles podem funcionar como "chaves" eletrônicas, ligando ou desligando esses dispositivos ou ainda "dosando" a potência aplicada, como ocorre em dimmers e controles de velocidade.

Para entender melhor como o SCR funciona será interessante fazermos uma análise deste componente a partir de sua estrutura.

 

COMO FUNCIONA O SCR

Os SCRs são dispositivos semicondutores formados por 4 camadas de materiais P e N colocados numa estrutura alternada conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Estrutura, circuito equivalente e símbolo do SCR
Figura 1 – Estrutura, circuito equivalente e símbolo do SCR

 

Esta estrutura, conforme mostra a mesma figura, equivale a dois transistores interligados de modo que um realimente o outro. Dizemos que os dois transistores formam uma "chave regenerativa".

Observe que a base do transistor NPN passa a ser a entrada de disparo do dispositivo ou comporta (gate ou g, se usarmos os termos originais em inglês).

O emissor do transistor PNP é o anodo do SCR e o emissor do transistor NPN o catodo do SCR.

Vamos supor que o SCR seja ligado num circuito simples como o mostrado na figura 2, em que temos por carga uma lâmpada em série com seu anodo.

 

Figura 2 – SCR num circuito simples
Figura 2 – SCR num circuito simples

 

Nestas condições, o SCR inicialmente não conduz a corrente e seu anodo se mantém positivo em relação ao catodo.

Se, por um curto intervalo de tempo aplicarmos na base do transistor NPN, que corresponde ao elemento de disparo do SCR, uma tensão positiva suficiente para polarizar a junção e levar o dispositivo à condução temos uma série de fenômenos a serem considerados.

O transistor NPN, sendo levado à condução tem sua corrente de coletor polarizando o transistor PNP de modo que ele também conduza, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – A corrente de disparo gera uma corrente de realimentação
Figura 3 – A corrente de disparo gera uma corrente de realimentação

 

Com a condução do transistor PNP, passamos a ter uma nova corrente na base do transistor NPN que se soma à corrente provocada pelo disparo e tende a aumentar a condução do NPN e consequentemente do PNP.

Os dois transistores, num processo de realimentação, são então levados rapidamente a saturação e a corrente pode fluir de modo intenso entre o anodo e o catodo do SCR, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – A realimentação mantém o circuito em condução
Figura 4 – A realimentação mantém o circuito em condução

 

Mesmo que o pulso que provocou o disparo desapareça, a corrente realimentada pelo transistor PNP para entrada de disparo mantém o sistema em plena condução, ou seja, o SCR disparado.

Para transistores comuns ligados na forma indicada, a corrente que flui entre o anodo e o catodo não pode ser muito grande, pois ela passa pela base do transistor NPN que suporta, em geral, correntes intensas.

No entanto, na estrutura final que se obtém para um SCR, essa corrente pode ser muito maior e o dispositivo pode controlar correntes intensas. Isso significa que dois transistores ligados na forma que usamos para dar as explicações são equivalentes apenas em termos funcionais do SCR mas não em termos práticos, pois não podem controlar correntes elevadas.

Na condução plena o SCR apresenta uma pequena queda de tensão entre o anodo e o catodo, da ordem de 2 V, conforme mostra a figura 5.

 

    Figura 5- A queda de tensão num SCR
Figura 5- A queda de tensão num SCR

 

Essa queda de tensão é devida ao fato da corrente precisar passar praticamente por 3 junções ao atravessar o dispositivo, cada qual produzindo uma queda de tensão da ordem de 0,7 V.

Ora, como a queda de tensão provoca a produção de calor, o dispositivo deve gerar calor numa quantidade que depende da intensidade da corrente.

Para uma corrente de 3 ampères, por exemplo, levando em conta que a queda de tensão é de 2V, temos uma produção de calor de:

P = 2 x 3

P = 6 watts

Ora, levando em conta que os SCRs podem trabalhar com tensões muito altas, como por exemplo ligados diretamente à rede de energia, no controle de um dispositivo de 3 ampères (300 watts na rede de 110V), ele "perde" apenas 6 watts em calor, o que é um excelente rendimento.

Mas, voltando ao SCR disparado, vamos supor que desejamos desligar o circuito de carga, ou seja, "cortar" o SCR.

Conforme vimos, uma vez disparado o SCR se mantém nesta condição mesmo depois que o pulso que provocou sua condução tenha desaparecido porque ele se mantém realimentado.

O corte da realimentação não pode ser feito através da comporta nos SCRs comuns (Existem tipos especiais em que é possível desligar pela comporta). Não adianta aplicar pulsos "invertidos" ou recorrer a outros artifícios que o SCR não desliga.

Para que o SCR "desligue" a corrente entre seu anodo e o catodo deve cair a um valor suficientemente baixo para que a realimentação deixe de ocorrer.

Existem duas formas de conseguirmos isso, que de certo modo são equivalentes:

Uma delas consiste em se desligar por um momento a alimentação do circuito de modo que a corrente no circuito caia a zero.

A outra, consiste em se curto-circuitar o anodo com o catodo por meio de um interruptor em paralelo com SCR de modo que a tensão caia a zero e com isso a corrente, conforme mostra a figura 6.

 

         Figura 6 – Desligando um SCR
Figura 6 – Desligando um SCR

 

Nos circuitos em que o SCR opera com corrente contínua, desligá-lo depois do disparo pode ser um problema que exige um dos recursos que citamos acima.

No entanto, se o SCR funcionar num circuito de corrente alternada, as coisas podem ser mais simples.

De fato, a tensão da rede de energia tem uma forma de onda senoidal e 120 vezes em cada segundo ela passa por zero, como mostra a figura 7.

 

     Figura 7 – A passagem por zero (zero crossing) da tensão alternada
Figura 7 – A passagem por zero (zero crossing) da tensão alternada

 

Isso significa que se o SCR estiver num circuito de corrente alternada e for disparado num determinado ponto de um semiciclo, ele vai se manter em condução mas apenas até a passagem seguinte por zero da tensão alternada.

Esse comportamento é muito interessante pois permite usar o SCR para controlar a potência aplicada em cargas ligadas na rede de energia de uma forma muito eficiente.

O SCR pode ser disparado no início de um semiciclo da tensão da rede de energia e assim ele vai conduzir até a passagem seguinte por zero, deixando passar boa parcela desse semiciclo conforme mostra a figura 8.

 

      Figura 8 – Modos de disparo do SCR num circuito de corrente alternada
Figura 8 – Modos de disparo do SCR num circuito de corrente alternada

 

Nestas condições, a carga ligada em seu anodo pode receber a maior parte da energia da rede e assim funcionar à plena potência.

No entanto, podemos provocar o disparo no meio ou no final do semiciclo, quando então o SCR conduz menos, aplicando assim menor potência na carga.

Pelo controle do ponto do disparo, podemos fazer com que haja a condução em diversos "ângulos" do semiciclo e assim, controlar a potência de uma carga.

Essa é uma aplicação muito importante dos SCRs e que exploramos com frequência em nossos projetos.

No entanto, o leitor deve ter percebido que os SCRs são diodos e que portanto só conduzem a corrente num sentido.

Se eles estiverem funcionando num circuito de corrente contínua não existe problema algum, pois basta observar que a corrente controlada esteja de acordo com sua polarização.

Mas, se a alimentação for feita com tensão alternada, o SCR funciona como um retificador conduzindo apenas metade dos semiciclos.

Existem duas maneiras de se obter o controle de onda completa, ou seja, a condução nos dois semiciclos no caso de serem usados SCRs.

A primeira consiste em se usar dois SCRs em oposição, conforme mostra a figura 9 em (a). A segunda consiste em se alimentar o circuito por uma ponte de diodos conforme mostra a mesma figura em (b).

 

 Figura 9 – Como obter controle de onda completa com SCRs
Figura 9 – Como obter controle de onda completa com SCRs

 

 

Tiristores:

Outros dispositivos da família dos Tiristores ou diodos de 4 camadas são os Triacs, Diacs, SUS (Silicon Unilateral Switches), SBS (Silicon Bilateral Switches), PUT (Programmable Unijuntion Transistor) além do Quadrac. Todos estes dispositivos são destinados a comutação rápida em controles de potência. Encontramos estes componentes em alarmes, fontes chaveadas, inversores e em muitas outras aplicações.

 

AS CARACTERÍSTICAS DOS SCRs

Os SCRs mais comuns são os da série 106 que podem ter designações como C106, TIC106, MCR106, IR106, etc, dependendo do fabricante.

Estes são SCRs muito sensíveis, com uma corrente de disparo da ordem de 200 uA e tensão de disparo entre 1 e 2 Volts.

A corrente máxima que eles podem conduzir, dependendo do fabricante pode variar entre 3 e 4 amperes, e as tensäes máximas, dependem de sufixos.

Assim, para os TIC106 da Texas Instruments e outros fabricantes que fazem o mesmo componente, a letra depois do TIC106 indica a tensão máxima a que o componente pode ser submetido, que no caso da rede de energia, corresponde à tensão de pico.

Temos então os seguintes casos de sufixos:

TIC106-A = 100 V

TIC106-B = 200 V

TIC106-C = 300 V

TIC106-D = 400 V

 

Evidentemente, para a rede de 110V o indicado é o TIC106-B e para a rede de 220V o indicado é o TIC106-D.

Para os da série MCR106 da Motorola, a tensão de trabalho é dada por um sufixo numérico. Assim temos:

MCR106-1 = 30 V

MCR106-2 = 60 V

MCR106-3 = 100 V

MCR106-4 = 200 V

MCR105-5 = 300 V

MCR106-6 = 400 V

 

Para a rede de 110V o indicado ‚ portanto o MCR106-4 e para a rede de 220V o MCR106-4.

A aparência desses SCRs é mostrada na figura 10.

 

     Figura 10 – SCRs comuns em invólucros TO-220
Figura 10 – SCRs comuns em invólucros TO-220

 

Observe que estes componentes possuem recursos para fixação em radiadores de calor.

 

Dica:

Sempre é possível usar um SCR de tensão maior (sufixo para tensão maior) numa aplicação de tensão menor, sem problemas. Assim, se um projeto para a rede de 110 V exige um TIC106B, na sua falta podemos perfeitamente usar um TIC106D. O que não podemos fazer é o contrário: usar um TIC106B na rede de 220 V que exige um TIC106D.

 

APLICAÇÕES

Não é difícil projetar circuitos que utilizem SCRs, principalmente da série 106, se levarmos algumas das características que analisamos neste artigo.

Vamos ver a seguir alguns aplicativos t¡picos que podem ser usados pelo leitor nos seus projetos de mecatrônica e mesmo eletrônica, sem problemas.

 

a) CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA

Nos circuitos de corrente contínua, a carga normalmente ligada em série com o anodo, conforme mostra a figura 11.

 

   Figura 11 – Usando o SCR num circuito de corrente contínua
Figura 11 – Usando o SCR num circuito de corrente contínua

 

A ligação da carga em série com o catodo é possível, mas aumenta a tensão exigida para o disparo, o que significa uma redução da sensibilidade do dispositivo.

Para o disparo, a tensão exigida é da ordem de 1 a 2V e como a comporta se assemelha em comportamento a base de um transistor, podemos dizer que ela possui uma impedância média.

Assim, se o disparo for feito diretamente a partir da tensão da fonte, um resistor limitador para a corrente é exigido.

Este resistor pode ter valores entre 1k ohms e 100 k ohms.

Isso significa também que sensores resistivos podem ser ligados diretamente a este eletrodo para o disparo, conforme mostra a figura 12.

 

   Figura 12 – Usando sensores resistvos
Figura 12 – Usando sensores resistvos

 

De modo a deixar o SCR no limiar do disparo, um trimpot ou potenciômetro de ajuste é ligado entre a comporta e a terra.

Transistores de uso geral NPN e PNP podem ser usados no disparo do SCR conforme as configurações mostradas na figura 13.

 

       Figura 13 – Disparo por transistores
Figura 13 – Disparo por transistores

 

No caso do transistor PNP o disparo passa a ocorrer com pulsos negativos de entrada, ou seja, quando a base do transistor for levada à terra.

Já no segundo caso obtemos o disparo com tensões positivas. O transistor, nos dois casos, atua como amplificador, aumentando a sensibilidade do SCR.

Para disparar a partir de níveis l¢gicos obtidos nas sa¡das de circuitos integrados TTL ou CMOS usamos as configurações mostradas na figura 14.

 

   Figura 14 – Disparo por circuitos lógicos
Figura 14 – Disparo por circuitos lógicos

 

Observe que é necessário haver um terra comum tanto para o SCR (normalmente ligado ao catodo) e para os circuitos lógicos. Sem esse terra comum não existe retorno para a corrente de disparo e o circuito não funciona.

 

b) CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA

Nos circuitos de corrente alternada ‚ preciso tomar dois cuidados para que ocorra um funcionamento perfeito.

O primeiro consiste em se ter uma polarização adicional de comporta, feita com um resistor entre a comporta e o catodo que evita o disparo do SCR pelas correntes de fuga.

O que ocorre, conforme mostra a figura 15, é que, operando com tensões mais elevadas, normalmente da rede de energia, existe a possibilidade da corrente de fuga do transistor NPN equivalente interno se tornar suficientemente elevada para provocar a realimentação e com isso o disparo do SCR.

 

Figura 15 – Polarização de gate
Figura 15 – Polarização de gate

 

Um resistor de valores entre 1k e 100k ohms tipicamente, desvia essa corrente evitando o disparo. Alguns SCRs, como os MCR106 possuem pequena fuga interna e por isso podem dispensar o resistor em questão, o que não ocorre com os SCRs da série TIC106.

O outro cuidado é o de se evitar que a comporta seja polarizada negativamente quando o anodo se encontrar negativo em relação ao catodo, conforme mostra a figura 16.

 

   Figura 16 – Usando um diodo para evitar o disparo com a polarização inversa
Figura 16 – Usando um diodo para evitar o disparo com a polarização inversa

 

Se isso ocorrer, pode haver dano ao componente. Para evitar este problema, nos circuitos de corrente alternada ‚ é conveniente ligar um diodo na comporta que somente permita a aplicação de pulsos positivos neste eletrodo.

 

 

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