Como funcionam os tiristores (SCR) – Tutorial

Basicamente, um SCR (retificador controlado por silício), também conhecido como tiristor, funciona como um transistor.

SCR de quê?

O dispositivo recebe seu nome (SCR) devido à sua estrutura interna de semicondutores multicamadas que se refere à palavra “silício” no início de seu nome.

A segunda parte do nome “Controlado” refere-se ao terminal do portão 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 seu portão é ativado e a energia é permitida fluir através de seus terminais ânodo-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 seja retificado como diodo e imite um transistor devido à sua característica de ativação com um sinal externo, uma configuração interna do SCR consiste em um arranjo de semicondutor de quatro camadas (PNPN) que consiste em junções PN de 3 séries, ao contrário de um diodo que possui uma camada de 2 camadas (PN) ou um transistor que inclui uma configuração de semicondutor de três camadas (PNP / NPN).

Você pode consultar a imagem abaixo para entender o design interno das junções semicondutoras explicadas e como os tiristores (SCR) funcionam.

Outra propriedade SCR que corresponde claramente a um diodo são suas características unidirecionais que permitem que a corrente flua em apenas uma direção através dele e seja bloqueada do outro lado enquanto LIGADA, tendo dito que as SCRs têm outra natureza especializada que lhes permite ser operado como um interruptor aberto enquanto estiver no modo desligado.

Esses dois modos de comutação extremos no SCR restringem a amplificação do sinal desses dispositivos e não podem ser usados ​​como transistores para amplificar um sinal pulsado.

Retificadores controlados por silício ou SCRs como Triacs, Diacs ou UJTs, que têm a propriedade de funcionar como disjuntores CA de estado sólido de comutação rápida enquanto regulam uma determinada corrente ou potencial CA.

Portanto, para engenheiros e entusiastas, esses dispositivos se tornam uma excelente opção de chave de estado sólido quando se trata de regular dispositivos de chave CA, como lâmpadas, motores, interruptores de escurecimento com a máxima eficiência.

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

Portanto, o dispositivo pode ser ligado a qualquer velocidade desejada e configurado discretamente durante os períodos LIGADO / DESLIGADO, para implementar um determinado tempo médio de ativação / desativação de uma carga.


Tecnicamente, o design de um SCR ou um tiristor pode ser entendido comparando-o a um par de transistores (BJTs) conectados em ordem consecutiva, para formar um par de comutadores regenerativos complementares, conforme mostrado na imagem a seguir:

Tirístores Analogia de dois transistores

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

Esses dois transistores interconectados dependem um do outro para a condução, uma vez que cada transistor obtém sua corrente de emissor base da corrente coletor-emissor do outro. Portanto, até que um dos transistores receba corrente de base, nada pode acontecer, mesmo se houver uma tensão Anodo para Catodo.

A simulação da topologia do SCR com a integração de dois transistores revela que a formação é realizada de tal maneira que a corrente do coletor do transistor NPN é fornecida diretamente à base do transistor PNP TR1, enquanto a corrente do coletor TR1 conecta a fonte com base TR2.

A configuração simulada de dois transistores parece interligar-se e complementar-se ao receber o inversor base da corrente do emissor coletor, o que torna a tensão do portão muito crucial e garante que a configuração exibida nunca possa ser acionada até que seja Aplique um potencial de porta, mesmo na presença do potencial do ânodo no cátodo, ele pode ser persistente.

Em uma situação em que o cabo anódico do dispositivo é mais negativo que o cátodo, ele permite que a junção N-P permaneça polarizada para a frente, mas assegurando que as junções P-N externas sejam polarizadas inversamente para que atue como um diodo de retificação padrão.

Essa propriedade de um SCR permite bloquear um fluxo de corrente reversa, até que uma tensão significativamente alta que possa estar além de suas especificações de pico seja infligida através dos cabos mencionados, forçando o SCR a acionar mesmo na ausência de um controlador de porta.

O exposto acima refere-se às características críticas dos tiristores que podem causar a ativação indesejável do dispositivo através de um pico inverso de alta tensão e / ou alta temperatura, ou um transiente de tensão dv / dt cada vez mais rápido.

Agora, suponha que em uma situação em que o terminal do ânodo sofra mais positividade em relação à derivação catódica, isso ajude a junção P-N externa a polarizar para a frente, embora a junção N-P central continue a ser polarizada inversamente. 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 resultar na passagem da corrente do coletor em direção à base f TR1, que no tronco força a corrente do coletor a passar em direção ao Transistor PNP TR1, que aumenta o acionamento da base do TR2 e o processo é reforçado.


A condição acima permite que os dois transistores melhorem sua condução até o ponto de saturação devido ao loop de feedback configurado de forma regenerativa, mostrando a situação travada e travada.

Portanto, assim que o SCR é ativado, ele permite que uma corrente flua de seu ânodo para o cátodo, com apenas uma resistência mínima a entrar no caminho, garantindo uma condução e operação eficientes do dispositivo.

Quando sujeito a corrente alternada, o SCR pode bloquear os dois ciclos da corrente alternada até que uma tensão de ativação seja oferecida através de seu portão e catodo, permitindo instantaneamente que o meio ciclo positivo da corrente alternada passe através o cátodo do ânodo leva e o dispositivo começa a imitar um diodo retificador padrão, mas apenas enquanto o gatilho do gate permanecer ligado, a condução interromperá o momento em que o gatilho do gate for removido.

As curvas de tensão-corrente forçada ou característica I-V para a ativação de um retificador controlado por silício podem ser vistas na imagem a seguir:

Características curvas do tiristor I-V

No entanto, para uma entrada CC, assim que o tiristor é ativado, devido à condução regenerativa explicada, ele sofre uma ação de bloqueio, de modo que a condução do ânodo para o cátodo é mantida e continua a conduzir mesmo que seja removida o gatilho do portão.

Portanto, para um suprimento de corrente contínua, o gate perde sua influência completamente quando o primeiro pulso de ativação é aplicado através do gate do dispositivo, garantindo uma corrente bloqueada do ânodo para o cátodo. Ele pode ser quebrado interrompendo momentaneamente a fonte de corrente do ânodo / cátodo enquanto a porta está completamente ociosa.

O SCR não pode funcionar como BJT

Os SCRs não são projetados para serem perfeitamente analógicos, como equivalentes a transistores, e, portanto, não podem ser acionados em alguma região ativa intermediária para uma carga que pode estar entre a direção completa e a chave de competição desligada.

Isso também é verdade porque o gatilho da porta não influencia o quanto o ânodo pode ser acionado ou saturado para o cátodo; portanto, mesmo um pequeno empurrão momentâneo da porta é suficiente para mover o ânodo para o condutor do catodo com uma chave cheia. EM.

A característica anterior permite comparar um SCR e considerá-lo como uma trava de flip-flop que possui ambos os estados estáveis, um ON completo ou um OFF completo. Isso ocorre devido aos dois recursos especiais do SCR em resposta às entradas CA ou CC, conforme explicado nas seções anteriores.

Como usar a porta de um SCR para controlar sua comutação

Como discutido acima, uma vez que um SCR é acionado com uma entrada DC e seu cátodo de ânodo trava automaticamente, isso pode ser desbloqueado ou desligado, removendo momentaneamente a fonte de alimentação do ânodo (corrente de ânodo Ia) ou reduzindo-o para um 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 o elo de trava P-N interno do tiristor possa restaurar sua função natural de bloqueio.

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

No entanto, como já discutido nas seções anteriores, quando um AC é usado nos pinos do ânodo do SCR do catodo, é garantido que o SCR não possa executar o efeito de travamento quando a unidade do portão for removida.

Isso ocorre porque o sinal CA liga e desliga dentro de sua linha de cruzamento zero, que mantém a corrente do ânodo para o catodo SCR para desligar a cada mudança de 180 graus no meio ciclo positivo da forma de onda. AC.

Esse fenômeno é chamado de “comutação natural” e impõe uma característica crucial para a condução de SCR. Ao contrário dos suprimentos de corrente contínua, esse recurso se torna irrelevante nos SCRs.

Porém, como um SCR é projetado para se comportar como um diodo retificador, responde efetivamente apenas aos semi-ciclos positivos de uma CA e permanece inclinado para trás e não responde totalmente ao outro meio-ciclo da CA, mesmo na presença de um porta.

Isto implica que, na presença de um gatilho de porta, o SCR conduz através do seu ânodo para o cátodo apenas durante os respectivos meios ciclos CA positivos e permanece silenciado durante os outros meios ciclos.

Devido à função de intertravamento explicada acima e também ao corte durante a outra metade do ciclo de uma forma de onda CA, o SCR pode ser usado efetivamente para ciclos CA da fase de corte, para que a carga possa ser alterne para qualquer nível de potência mais baixo (ajustável) desejado.

Também conhecido como controle de fase, esse recurso pode ser implementado através de um sinal externo cronometrado aplicado através da porta SCR. Este sinal decide após quanto tempo o SCR pode disparar assim que a fase CA iniciar seu semi-ciclo positivo.

Isso permite que apenas a parte da onda CA que é passada após o disparo do gate seja alterada … esse controle de fase está entre as principais características de um tiristor controlado por silício.

A operação dos tiristores (SCR) no controle de fase pode ser entendida observando as imagens abaixo.

O primeiro diagrama mostra um SCR cuja porta é ativada permanentemente, como você pode ver no primeiro diagrama, isso permite que a forma de onda positiva completa comece do início ao fim, e não através da linha central do cruzamento de zero.

Controle de fase do tiristor

No início de cada meio ciclo positivo, o SCR está “OFF”. Na indução da tensão do portão, o SCR é ativado na condução e permite que ele ative totalmente “ON” durante o meio ciclo positivo. Quando o tiristor é ligado no início do meio ciclo (θ = 0o), a carga conectada (uma lâmpada ou similar) fica “ON” durante todo o ciclo positivo da forma de onda CA (CA retificada por meia onda) em uma tensão média alta de 0,318 x Vp.

À medida que a inicialização do interruptor do portão ON aumenta durante o meio ciclo (θ = 0o a 90o), a lâmpada conectada acende por um período menor de tempo e a tensão líquida trazida para a lâmpada também diminui proporcionalmente sua intensidade .

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

Até agora, testemunhamos que um tiristor é fundamentalmente um dispositivo de meia onda que só pode passar corrente na metade positiva do ciclo, desde que o ânodo seja positivo e evite o fluxo de corrente como um diodo nos casos em que o ânodo é negativo, mesmo que a corrente do portão permaneça ativa.

No entanto, você pode encontrar muitas outras variantes de produtos semicondutores similares, com origem no título “Tiristor”, projetado para operar em ambas as direções de semi-ciclos, unidades de onda completa ou pode ser desativado pelo sinal Gate. .

Esses tipos de produtos incorporam “tiristores de fechamento de porta” (GTO), “tiristores de indução estática” (SITH), “tiristores controlados por MOS” (MCT), “comutador controlado por silício” (SCS), “tiristores com triodo “(TRIAC) e” Tiristores ativados por luz “(LASCR) para identificar alguns, com tantos desses dispositivos acessíveis em diferentes classificações de tensão e corrente, tornando-os interessantes para serem usados ​​para fins com níveis de energia muito altos.

Visão geral do trabalho 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 você pode usar na comutação de cargas elétricas pesadas operadas pela rede.

Eles são caracterizados por serem enganchados: “ON” por um único pulso de corrente positiva aplicado ao seu cabo de porta e pode continuar LIGADO continuamente até que a corrente ânodo-cátodo seja reduzida abaixo da medição mínima especificada da trava ou investir.

Atributos estáticos de um tiristor

Os tiristores são equipamentos semicondutores configurados para operar apenas na função de comutação. Os tiristores são produtos controlados por corrente, uma pequena corrente de porta pode controlar uma corrente de ânodo mais substancial. Ative a corrente apenas uma vez inclinada para frente e ativando a corrente aplicada ao portão.

O tiristor funciona de maneira semelhante a um diodo retificador toda vez que “ON” é ativado. A corrente do ânodo deve ser mais do que manter o valor atual para preservar a condução. Inibe o fluxo de corrente em caso de polarização reversa, independentemente de a corrente do portão estar ativada ou não.

Assim que está “LIGADO”, é bloqueado “LIGADO”, independentemente de uma corrente de portão ser aplicada, mas apenas no caso de a corrente do ânodo estar acima da corrente de travamento.

Os tiristores são interruptores rápidos que você pode usar para substituir relés eletromecânicos em vários circuitos, pois eles simplesmente não têm partes vibrantes, contato de arco ou problemas de deterioração ou sujeira.

Mas, além de simplesmente alternar correntes substanciais para “ON” e “OFF”, os tiristores podem ser alcançados 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 controlar a iluminação elétrica, aquecedores e velocidade do motor.

No próximo tutorial, veremos alguns circuitos e aplicativos básicos de tiristores que usam suprimentos CA e CC.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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