SCR - Retificador Controlado de Silício: Funcionamento Básico

O surgimento do diodo semicondutor de duas camadas nos levou em seguida ao transistor formado por três camadas, entretanto dispositivos de quatro e até cinco camadas também foram desenvolvidos e possuem grande importância na eletrônica de potência. Neste artigo vou falar um pouco sobre os componentes de quatro camadas tratando especificamente dos retificadores controlados de silício – SCR.

Tiristor é o nome genérico de uma família de componentes que possuem quatro camadas de material semicondutor PNPN. Os tiristores são dispositivos semicondutores de potência e são usados como chaves eletrônicas. Dos dispositivos PNPN, sem dúvida o retificador controlado de silício é o que continua sendo alvo de interesse na eletrônica. Ele foi desenvolvido nos laboratórios da Bell Telephone Loboratories em 1956. O SCR é amplamente usado na eletrônica de potência para o controle de réles, em circuitos de retardo, fontes de potência regulada, chaves estática, controles de motores, choppers, inversores, cicloconversores, carregadores de bateria, circuitos de proteção, controles de aquecedores e controle de fase [1].

Os retificadores controlados de silício (SCR) é o controlador elétrico de potência de uso mais comum. A ação rápida de chaveamento, pequeno porte e aos seus elevados valores nominais de corrente e tensão somam características que tornaram os SCRs muito difundidos na eletrônica de potência.

Descrição Geral dos Retificadores Controlados

O SCR é um componente de três terminais sendo eles: o ânodo (A) e o catodo (k) e o terminal porta ou gate (G). O ânodo e o catodo são terminais de potência já a porta é o de controle.

De forma geral o SCR pode ser descrito como um diodo controlado, ou seja, a condução da corrente entre o ânodo e catodo é determinada por um sinal de controle inserido na porta (G) [3]. A estrutura de um SCR é apresentado na figura 1a, e seu símbolo elétrico na figura 1b. 

Figura 1 -Estrutura (a) e Simbologia (B) [3]

Quando o SCR está diretamente polarizado (ânodo é positivo em relação ao cátodo) e uma tensão positiva (com relação ao cátodo) é aplicada na porta (G) faz com que o SCR entre no estado ligado, funcionando assim, como um diodo. Entretanto, não é a porta que interrompe a corrente que circula no SCR. Ela é interrompida quando a corrente do ânodo cai abaixo de um determinado valor chamado de corrente de sustentação. De forma similar ao que ocorre com um diodo, o SCR bloqueia a corrente na direção inversa quando inversamente polarizado. 
 

Modo de Disparo de um SCR

Como fazer o disparo de SCR? Dizemos que um SCR é disparado ou entra em condução quando ocorre um aumento da circulação de corrente no ânodo (Ia). O disparo pode ocorrer de 6 maneiras diferentes[3], sendo elas:

• Corrente de gate Igk.

• Corrente de retenção e corrente de manutenção.

• Sobretemperatura.

• Sobre tensão.

• Degrau de Tensão dv/dt.

• Luz ou radiação.

Entre o gatilho e cátodo há uma junção PN (figura 1) e assim como um diodo teremos uma tensão de 0,7V, aproximadamente, entre os dois terminais. Com analise do circuito da figura 2 podemos determinar a tensão de disparo requisitada.

Figura 2 - Condição de disparo

Assim, tensão Vdisparo necessária para proporcionar a corrente de disparo Ig através da resistência limitadora Rg pode ser dado por:

Polarização Direta de um SCR

Na ilustração da figura 3a temos o circuito de polarização direta de um SCR, nela podemos verificar:

• Tensão do ânodo positiva em relação ao cátodo

• J1 e J3 polarizadas diretamente.

• J2 polarizado inversamente apresentando uma maior barreia de potencial.

• Existe uma pequena corrente de fuga direta do ânodo para o cátodo, If (Forward Current).

• Bloqueio direto – Desligado.

Figura 3a - SCR diretamente polarizado [3]

Polarização reversa de um SCR

Na ilustração da figura 3b temos o circuito de polarização reversa de um SCR, nela podemos verificar:

• Tensão de cátodo positiva em relação ao ânodo.

• J2 diretamente polarizada

• J1 e J3 inversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

• Flui uma pequena corrente de fuga reversa de cátodo para ânodo, Ir (Reverse Current)

Figura 3b - SCR inversamente polarizado [3]

Curva característica de um SCR

Na figura 4 podemos observar uma curva característica de um SCR de forma geral. Quando o SCR está diretamente polarizado podemos notar uma corrente direta de fuga If (Forward Current). Essa região e conhecida como região de bloqueio direto. Porem se a tensão de polarização direta for aumentando até que alcance um limite critico chamada de tensão de disparo direta Vfbo, o SCR passa para o estado ligado e a tensão entre o ânodo e cátodo do SCR cai para um valor mais baixo (1-3V) e a corrente de condução aumenta no mesmo instante [1]. 

Figura 4 - Curva característica de disparo [1]

Entretanto, o valor da tensão de disparo direta Vfbo pode ser controlada pelo nível da corrente de porta Ig. Se a junção porta-cátodo estiver polarizada, o SCR passará para o estado ligado com uma tensão em um nível mais baixo de disparo em relação a porta aberta (Ig=0). À medida que a corrente de disparo da porta aumenta, a tensão de disparo diminui e as características do SCR se aproximam de um diodo.

Nota-se que o disparo com Ig=0 não é uma característica desejável do SCR. Na pratica, o SCR deve ser disparado somente com um sinal na porta.

Alguns dos circuitos para disparo do SCR podem ser visto nos próximos artigos do blog.

Desbloqueio ou Comutação do SCR

O desbloqueio de um SCR ocorre quando a corrente de condução direta cai abaixo do valor da corrente de sustentação. Quando isso ocorre o esse SCR passa ser novamente uma chave aberta e necessita de um novo sinal na porta (G) para disparar.  As formas de bloqueios ou comutação são melhores discutidas no artigo SCR - Retificador Controlado de Silício: Disparo e Interrupção do SCR.

Exemplos de Aplicação

• Estroboscópio de potência 

• Luz Rítmica 

Conclusão

Esse pequeno resumo da funcionalidade do SCR pode nos ajudar a compreender melhor esse importante componente que é muito usado na eletrônica. O funcionamento relativamente simples do dispositivo nos possibilita a entender circuitos que utilizam o SCR com melhor clareza.  

Referência

[1]-Eletrônica de Potência,Ashfaq Ahmed - 1° edição

[2]-Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos, Robert L. Boylestad, 8° edição.

[3]-Tiristor SCR Retificador Controlado de Silício, Prof. Fernando Luiz Mussoi CEFET/SC, EDIÇÃO PRELIMINAR – 1.1 FLORIANÓPOLIS – MARÇO, 2002.