SCR (Tiristor): Funcionamento e Características

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O SCR (Tiristor) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O SCR é um rectificador de silício que funciona essencialmente como um interruptor 
estático unidireccional, isto é, abre ou fecha um circuito através da aplicação de uma 
pequena tensão num dos seus terminais, não possuindo por isso qualquer contacto 
mecânico, o que tem como vantagem um grande aumento do seu tempo de vida útil. 
 
Utiliza-se fundamentalmente no controlo de potência, quer em circuitos de corrente 
contínua quer de corrente alternada, 
 
1.1 SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
 
O SCR é um dispositivo semicondutor de silício constituído por quatro camadas PN 
dispostas alternadamente conforme mostra a figura A. Na figura B apresenta-se o seu 
símbolo que se assemelha a um díodo com um terminal de controlo. 
 
Figura 1 – Estrutura de junções e símbolo de um SCR (Tiristor) 
 
Com efeito, o SCR, tal como um díodo, só conduz corrente no sentido do ânodo para 
o cátodo, mas apenas quando lhe aplicamos um sinal de tensão no terminal chamado 
GATE. 
 
Na figura seguinte podemos ver um esquema que representa o seu circuito 
equivalente. 
 
Figura 2 – Circuito equivalente de um SCR 
 
As quatro camadas estão dispostas por forma a que funcionem como dois 
transistores, um PNP e outro NPN, ligados de uma forma regenerativa. 
 
Para funcionar, o SCR deverá ser ligado num circuito tal como se mostra na figura de 
baixo. 
 
 
Figura 3 – Esquema de circuito para traçado das características de um SCR 
 
O ânodo deverá estar positivo em relação ao cátodo. Se não enviarmos qualquer sinal 
de GATE ao SCR, este permanecerá bloqueado pois nenhum dos transístores estará em 
condução. 
Enviando um curto impulso de tensão entre a GATE e o CÁTODO o transistor T1 
receberá na sua base uma corrente que será amplificada β vezes no colector. Esta 
corrente de colector colocará o transistor T2 em condução. Por sua vez a condução de 
T2 (corrente no colector, IC2) fará com que exista corrente na base de T1 mantendo-o em 
condução. 
 
Figura 4 - Modelo do SCR por dois transístores bipolares (correntes) 
 
Verificamos assim que T1 mantém em condução T2 e T2 mantém em condução T1. 
Não é, portanto, necessário que a tensão na GATE esteja permanentemente aplicada. 
Estando T2 e T1 em condução fluirá uma corrente do ÂNODO para o CÁTODO cujo 
valor é limitado apenas pela resistência externa RS. O SCR em condução apresentará 
uma pequena queda de tensão aos seus terminais, cerca de 1,2 a 1,4 VOLTS ( VAK = 
VEC2 + VBEl ). 
 
 
 
 
S
BEECS
AK R
VVV
I
)( 12 +−
= 
 
 
 
Figura 5 – Modelo do SCR por dois transístores bipolares (tensões) 
 
De notar que se o SCR estiver inversamente polarizado, não entrará em condução de 
forma alguma pois a corrente não poderá contrariar o sentido das correntes dos 
transistores. 
RESUMO: 
 
Figura 6 – Símbolo e circuito equivalente de um SCR (Tiristor) 
 
• O SCR estará correctamente polarizado se o ÂNODO estiver mais positivo que o 
CÁTODO. 
 
• O SCR só entra em condução se lhe for aplicada uma tensão entre a GATE e o 
CÁTODO. 
 
• O SCR comporta-se como um interruptor unidireccional apresentando aos seus 
terminais uma pequena queda de tensão (1,2 a 1,4 VOLTS). 
1.2 CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTE 
 
A característica U/I de um SCR traça-se dando valores de tensão entre o ânodo e o 
cátodo e registando a evolução dos valores da corrente que atravessam o SCR. 
 
O SCR tanto pode estar directa como inversamente polarizado, sendo o seu 
comportamento completamente distinto numa e noutra situação. 
 
Assim vamos analisar a característica U/I do SCR dividida em duas: 
 
 CARACTERÍSTICA DIRECTA 0≥AKV 
 
 CARACTERÍSTICA INVERSA 0<AKV 
1.2.1 CARACTERÍSTICA DIRECTA 
 
Para o traçado da característica directa do SCR utilizaremos o circuito da figura 
seguinte. 
 
 
Figura 7 – Esquema de circuito para traçado da característica directa 
 
Com o interruptor do circuito da gate aberto, verifica-se que, para baixas tensões 
ânodo-cátodo, designadas por VD, o SCR conduz apenas uma pequena corrente, ID, 
chamada corrente de fugas. 
 
 
Figura 8 – Curva característica directa (corrente de fuga directa) 
 
Continuando a aumentar o valor de VF, a corrente ID mantém-se praticamente 
constante, conforme se vê no gráfico. 
Só quando alcança um determinado valor de VD é que o SCR entra em condução e 
observamos então que circula uma corrente ID elevada, limitada apenas pela resistência 
de carga, RS. A tensão aos terminais do SCR cai para valores muito baixos. 
Ao valor da tensão que colocou o SCR em condução sem necessitar de impulso de 
gate chama-se TENSÃO DE RUPTURA NO SENTIDO DIRECTO e designa-se por 
VBO 
 
Figura 9 – Curva característica directa completa 
 
Podemos ainda observar que para um grande aumento de ID o valor de VD aumenta 
ligeiramente, mantendo-se baixo (cerca de 1,4 V). 
Na página seguinte temos traçada a mesma característica, mas onde estão assinalados 
dois valores de corrente importantes. 
 
 
 
Figura 10 – Definição das Correntes IH e IL 
 
IH ( HOLDING CURRENT) 
 
É a mínima corrente necessária que deve circular no SCR para que este, estando em 
condução, não passe ao estado de bloqueio. 
Com efeito conforme se pode observar na característica, o SCR manter-se-á em 
condução desde que a corrente que o atravessa seja suficiente para manter o processo 
regenerativo dos dois transistores (circuito equivalente do SCR) na ausência de sinal de 
gate. 
Se a corrente se tornar inferior a IH, que é da ordem dos mA, então os dois 
transistores entrarão no corte e o SCR bloqueia, não deixando passar corrente. 
 
IL (LATCHING CURRENT) 
 
 É a corrente mínima necessária que se estabelece no circuito no instante que o SCR 
vai passar de bloqueado a condutor. 
Esta corrente é normalmente superior a IH. 
 
APLICACÃO DA CORRENTE DE GATE 
 
O que até agora vimos foi a entrada em condução do SCR, sem necessitar do sinal de 
gate por aplicação de uma tensão ânodo-cátodo (V AK) igual ou superior a VBO. No 
entanto, este método não é o mais utilizado, uma vez que pode levar a uma progressiva 
deterioração do SCR. 
O método normal de disparar um SCR é por aplicação de uma tensão entre a gate e o 
cátodo. Verifica-se que ao aumentar o valor da corrente da gate o ponto da tensão 
ÂNODO-CÁTODO para o qual o SCR entra em condução vai baixando conforme se 
pode observar na figura em baixo. 
Podemos ainda observar que para o ponto VD=VBO, a corrente de gate necessária 
para o SCR entrar em condução é nula. 
 
 
Figura 11 – Curvas de disparo em função da corrente de gate 
 
1.2.2 CARACTERÍSTICA INVERSA 
 
Para o traçado desta zona da característica do SCR o circuito utilizado é o que se 
apresenta a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12 – Curva característica inversa de um SCR 
 
A característica do SCR nesta zona é semelhante à de um díodo, conforme se mostra 
na figura seguinte. 
A corrente que circulará, IR, estando o SCR inversamente polarizado, será uma 
corrente inversa de fugas de valor muito pequeno, da ordem dos nA 
Observa-se ainda que para um valor de tensão ânodo-cátodo superior à tensão 
máxima inversa de ruptura VBR, o SCR toma-se condutor no sentido inverso e deteriora-
se assim de forma permanente. 
Na figura em baixo podemos observar a característica completa de um SCR. 
 
 
Figura 13 – Curvas características completas de um SCR 
 
RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DO SCR 
 
É um elemento semicondutor que funciona como interruptor unidireccional, a partir 
de um sinal de comando (TENSÃO DE GATE). 
 
• Só entra em condução se: 
o estiver directamente polarizado 
o houver sinal de GATE 
o a corrente que o atravessa for maior que IL. 
• Bloqueará se a corrente que por ele circula se tomar inferior a IH. 
• Em condução apresenta uma pequena queda de tensão aos seus terminais (1,2 a 1,4 
Volts). 
• Polarizadoinversamente permanecerá bloqueado desde que a tensão não seja 
superior à máxima tensão inversa de ruptura. Caso ultrapasse este valor, o SCR ficará 
destruído. 
• Polarizado directamente poderá entrar em condução intempestiva, sem o sinal de 
gate, se a tensão for superior à máxima tensão directa de ruptura (VBO). No entanto o 
uso continuado deste método pode levar à destruição do SCR. 
 
1.3 APLICACÕES DOS SCR’s 
 
Os SCR's, conforme já foi afirmado, são utilizados no controlo de potência tanto em 
AC como em DC. Vamos agora ver algumas dessas aplicações. 
1.3.1 CORRENTE ALTERNADA 
 
Conforme se estudou, um SCR entra em condução logo que haja um impulso de 
tensão na gate, isto desde esteja directamente polarizado. Bloqueará quando a corrente 
que o atravessa for inferior a IH. 
INTERRUPTOR DE CORRENTE ALTERNADA 
 
No circuito da figura seguinte o SCR só estará directamente polarizado na 
alternância positiva da tensão da entrada. 
 
Figura 14 – Circuito elementar para disparo de um SCR 
 
Enquanto o interruptor S estiver aberto não haverá sinal de gate e portanto o SCR 
estará bloqueado. Quando S fechar, o SCR entra em condução logo que a tensão da rede 
seja positiva, uma vez que haverá agora sinal de gate. 
O díodo no circuito da gate tem a função de impedir que lhe seja aplicada uma 
tensão negativa. 
 
 
Figura 15 – Formas de onda de tensão e corrente no circuito da figura 14. 
 
Na figura anterior estão desenhadas as formas de onda que se podem observar em 
diversos pontos de teste do circuito. 
 
Para: 
- 0 < T < T1 
S está aberto. O SCR está bloqueado e não circula corrente no ramo R1-R2. 
- T1 <T < T2 
 
 S está fechado. Como a tensão da rede é negativa não haverá sinal de 
gate devido ao díodo. O SCR continuará bloqueado. 
- T2< T < T3 
 
O SCR está directamente polarizado. O sinal de gate é positivo mas 
ainda não atingiu o valor suficiente para disparar o SCR e por isso este 
continuará bloqueado. O ângulo de disparo pode ser diminuído, 
aumentando R2 ou diminuindo R1. 
 
 -T>T3 
 
O SCR é disparado. A tensão na carga será praticamente igual à da 
entrada. 
No circuito da gate a corrente é quase nula pois estará curto-circuitada 
pelo SCR. 
Para α=180° a tensão da rede anula-se e a corrente que circula no SCR também. Este 
bloqueia durante a alternância negativa. 
O SCR só voltará a entrar em condução no próximo semi-ciclo positivo em 
condições semelhantes às anteriores. 
A POTÊNCIA entregue à carga é apenas cerca de 50% da que a rede pode fornecer. 
A vantagem deste circuito é a possibilidade do comando de grandes potências a partir 
de um pequeno interruptor colocado na gate. 
CONTROLO DE FASE DE MEIA ONDA 
 
 
Figura 16 – Circuito para variar o ângulo de disparo 
 
Com o circuito da figura é possível variar o ângulo de disparo desde próximo de 0° a 
90° no máximo. 
Neste circuito a máxima potência que pode ser entregue à carga será de 50% da rede. 
 
 
Figura 17 – Ângulos de disparo e tensão aplicada à carga 
Na figura anterior estão desenhadas as formas de onda para dois ângulos disparo 
máximo e mínimo, dependendo do valor de P. 
Uma das desvantagens deste circuito é a de não ser possível nunca a anulação 
completa da tensão na carga. Para isso utiliza-se o seguinte circuito: 
 
Figura 18 – Circuito de disparo por desfasagem RC 
 
Em cada alternância positiva da tensão da entrada o condensador carrega com maior 
ou menor constante de tempo defendendo do valor de P. Isto significa que o valor da 
tensão de gate necessário para o disparo do SCR pode ser variado de 0° a 180°. 
Na alternância negativa o condensador carregará rapidamente através de D2 que 
estará polarizado directamente. 
Na figura seguinte podemos observar diversas formas de onda da tensão na carga 
resultantes de diferentes valores de P. 
 
Figura 19 - Formas de onda da tensão na carga resultantes de diferentes desfasagens 
A máxima potência entregue à carga continua a ser apenas de 50% da total da rede. 
 
1.3.2 CORRENTE CONTÍNUA 
 
Em corrente contínua põe-se o problema do bloqueio de um SCR em condução. Com 
este efeito, em corrente alternada a tensão na carga e por conseguinte a corrente, anula-
se uma vez cada período e portanto de uma forma natural o bloqueio do SCR estava 
assegurado. 
Em corrente contínua a situação é diferente uma vez que a tensão na carga nunca se 
anula. 
Nas montagens que utilizem corrente e SCR's existem sempre circuitos adicionais, 
chamados de bloqueio, que se baseiam nos seguintes princípios: 
- Bloqueio do SCR por desvio da corrente que o atravessa. 
- Bloqueio do SCR por aplicação de uma tensão negativa entre o ÂNODO-CÁTODO 
do 
SCR. 
Figura 20 – Métodos para bloqueio do SCR em C.C. 
Os seis circuitos da figura representam os seis métodos utilizados para o bloqueio do 
SCR em corrente contínua. 
O circuito da figura a) baseia-se no desvio da corrente que passa no SCR e todas as 
outras figuras se baseiam na aplicação de uma tensão negativa ÂNODO-CÁTODO ao 
SCR que se pretende bloquear. 
O circuito e) será talvez o mais utilizado e por isso o analisaremos com mais 
pormenor. 
 
 
Figura 21 – Circuito para bloqueio do SCR em corrente contínua 
 
No circuito da figura 21 o SCRl é utilizado para bloqueio do SCR2. Dando impulso 
de disparo ao SCRl este entra em condução e passa a circular na carga uma corrente 
aproximadamente igual a: 
 
L
IN
L R
VI = 
 
Por outro lado o condensador C carregará com a polaridade indicada através de R1- C 
e SCRl. Quando quisermos bloquear SCRl basta enviar sinal de gate a SCR2. Este, ao 
entrar em condução fará com que seja aplicado ao ÂNODO-CÁTODO do SCRl a 
tensão do condensador e o SCRl bloqueia. 
Por sua vez o condensador C irá descarregar por RL-C-SCR2 e ficar com polaridade 
oposta conforme se mostra na figura 22. 
 
Figura 22 – Descarga do condensador através de SCR2 
 
Quando C estiver carregado, SCR2 bloqueia e o circuito está assim desligado. 
Quando houver novo impulso aplicado a SCRl este entrará em condução e o 
condensador descarregará e carregará com polaridade oposta através de R1- C-SCRl, 
conforme a figura, fazendo assim o bloqueio de SCR1. 
 
 
 
 
 
 
Figura 23 – 
 
 
1.4 ANÁLISE DE UMA DATASHEET 
 
Os fabricantes de SCR'S fornecem sempre para cada tipo de componente uma 
informação detalhada sobre os parâmetros fundamentais para a correcta utilização do 
mesmo. 
 
Essa informação constitui aquilo que em língua inglesa se designa por 
"DATASHEET" do componente e apresenta-se geralmente sob a forma dum conjunto 
de valores acompanhados por gráficos de determinados parâmetros. 
 
Iremos então analisar a DATASHEET de um SCR da PHILIPS, o BT 151, que a 
seguir se apresenta.