ASSOCIAÇÃO EDUCACIONAL DOM BOSCO

FACULDADE DE ENGENHARIA DE RESENDE

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA / ELETRÔNICA

RETIFICADORES CONTROLADOS

LIANA DE SOUZA RITTER

LÚCIO ALVES

JOSÉ EVANDO COLT DE ALMEIDA

MARLON

RESENDE - RJ

01 de Março de 2013

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LIANA DE SOUZA RITTER

LÚCIO ALVES

JOSÉ EVANDO COLT DE ALMEIDA

MARLON

RETIFICADORES CONTROLADOS

Relatório de experimento apresentado à

Associação Educacional Dom Bosco,

Faculdade de Engenharia de Resende,

como exigência da disciplina de

Eletrônica Industrial do Curso de

Engenharia Elétrica/ Eletrônica, para

Grau parcial do 1° Bimestre.

Orientadora: Professor Jair

RESENDE

01 de Março de 2013

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SUMÁRIO

RESUMO ...............................................................................................................................3

INTRODUÇÃO......................................................................................................................4

1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA........................................................................................4

1.1 Tirisistor ...............................................................................................................................4

1.1.1 Aplicações do Tiristor....................................................................................................... 5

1.1.2 Princípio de Funcionamento do Tiristor........................................................................... 5

1.1.3 Retificador Controlado de Silício – SCR ..........................................................................7

1.1.3.1 Maneiras de disparar um SCR.........................................................................................7

1.1.3.1.4 Disparo por Temperatura............................................................................................ 7

1.1.3.1.3 Disparo por Taxa de Crescimento da Tensão Direta...................................................8

1.1.3.1.2 Disparo por Sobretensão............................................................................................. 8

1.1.3.1.1 Disparo por Pulso de Gatilho...................................................................................... 8

1.1.3.2 Métodos de comutação de um SCR............................................................................... 8

1.1.3.2.1 Comutação Natural......................................................................................................9

1.1.3.2.2 Comutação Forçada.....................................................................................................9

1.2 Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda............................................................10

1.2.1 Carga Resistiva ...............................................................................................................10

1.2.2 Carga RL..........................................................................................................................12

1.2.3 Carga RL com diodo de “Roda Livre” ............................................................................12

3 MATERIAIS UTILIZADOS NAS EXPERIÊNCIAS......................................................14

3.1 Materiais .............................................................................................................................14

3.2 Equipamentos .....................................................................................................................14

4 PROCEDIMENTOS E RESULTADOS DAS EXPERIÊNCIAS……………………....15

4.1 Experiencia 1: Retificadores Controlados Monofásicos em Meia-Onda............................15

5 CONCLUSÃO………………………………………………………..…........................…17

REFERÊNCIAS...................................................................................................................18

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RESUMO

Neste relatório apresentamos os procedimentos, resultados e conclusões para a

experiência sobre retificadores controlados – meia onda. São apresentadas fundamentações

teóricas como aplicações, princípio de funcionamento, maneiras de disparar, métodos de

comutação e o retificador controlado monofásico de meia onda.

Palavras-chave: Retificador controlado monofásico de meia onda. Tiristor. Retificador

controlado de silício

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INTRODUÇÃO

Os retificadores controlados são utilizados para controlar e converter potências. O

elemento mais representativo da família dos semicondutores controlados de potência é o

trisistor, um dispositivo com quatro camadas, “PNPN”. Dentre os dispositivos “PNPN” o que

mais se destaca é o Retificador Controlado de Silício (SCR).

1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Para analisar a operação dos retificadores controlados, faz-se necessário compreender

como opera o tiristor. Esse é um dispositivo utilizado para o controle do fluxo de potência

para a carga em retificadores completamente controlados.

1.1 Tirisistor

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em

regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa

seqüência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.

São utilizados largamente para converter e controlar grandes potências em sistemas

AC ou DC, utilizando-se de pequena potência para controle.

O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício),

usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem

basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), TRIAC (tiristor triodo

bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT

(Tiristor controlado por MOS).

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1.1.1 Aplicações do Tiristor

Fontes de Alimentação Reguladas;

Inversores;

Retificadores;

Carregadores ;

Controle de Motores;

Entre outros.

1.1.2 Princípio de Funcionamento do Tiristor

Figura 1: Princípio de Funcionamento de um Trisistor

Acima é mostrada a analogia com um modelo simplificado com dois transistores

(Fig. 1). O ânodo (A) e o cátodo (K) são os terminais de potência da chave e o gate (G), o

terminal de controle.

Figura 2: Analogia entre Trisistores e Transistores para Explicação do Funcionamento

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Quando uma corrente Ig positiva é aplicada, Ic2 e Ik crescerão. Como Ic2 = Ib1, T1

conduzirá e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e assim o dispositivo evoluirá até a

saturação, mesmo que Ig seja retirada. Tal efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos

transistores forem maior que 1.

O componente se manterá em condução desde que, após o processo dinâmico de

entrada em condução, a corrente de anôdo tenha atingido um valor superior ao limite IL,

chamado de corrente de "latching".

Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente por ele caia abaixo do valor

mínimo de manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2.

O trisistor pode apresentar-se em um de três estados de operação listados abaixo. A representação

dos circuitos é mostrado na Figura 2.

Estado corte – polarização reversa (a);

Estado corte – polarização direta (b) e;

Estado condução - polarização direta (c).

(a) (b) (c)

Figura 2: Estados de Operação de um Trisistor

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1.1.3 Retificador Controlado de Silício – SCR

Dentre todos os dispositivos “PNPN”, o SCR é o de maior interesse e importância

atualmente. Existem versões para controlar potências de até 10MW.

Figura 3: Característica de Operação do SCR

Quando o SCR está diretamente polarizado (VT > 0) e é aplicado um pulso positivo de

corrente de seu gate (G) para o catodo (K), este dispositivo entra em condução permitindo

circulação da corrente IT entre anodo e catodo. Uma vez em condução, o pulso de gate pode

ser removido e o SCR continua em condução como um diodo, ou seja, não pode ser

comandado a bloquear. Para que o tal deixe de conduzir é necessário que a corrente IT caia

abaixo do valor mínimo de manutenção (IH), desta forma o SCR entra novamente na região de

corte. Quando o SCR está reversamente polarizado (VT < 0) ele não conduz.

1.1.3.1 Maneiras de disparar um SCR

A seguir são apresentadas as formas de disparo de um SCR.

1.1.3.1.1 Disparo por Pulso de Gatilho

Esta é a forma usual de disparo. Como já foi dito, quando o SCR está diretamente

polarizado e recebe um pulso positivo de corrente de gate para cátodo, ele entra em condução.

O componente se manterá em condução desde que, após o processo de entrada em condução,

a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL (corrente de “latching”).

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Sendo assim, a duração do sinal de disparo deve ser tal que permita à corrente atingir o valor

IL antes que o sinal de disparo seja retirado.

1.1.3.1.2 Disparo por Sobretensão

À medida que se aumenta a tensão entre anodo e catodo (diretamente polarizado), é

possível iniciar o processo de condução mesmo sem corrente no gate. Este procedimento, nem

sempre destrutivo, raramente é utilizado na prática.

1.1.3.1.3 Disparo por Taxa de Crescimento da Tensão Direta

Uma vez que o SCR esteja diretamente polarizado, mesmo sem corrente de gate, pode

haver a entrada em condução devido à taxa de crescimento da tensão entre anodo e catodo. Se

esta taxa for suficientemente elevada (a tensão crescer rapidamente), o SCR entra em

condução.

Este disparo, normalmente não desejado, é evitado pela ação de um circuito de proteção

conhecido como snubber, que se trata de um circuito RC em paralelo com o tiristor.

1.1.3.1.4 Disparo por Temperatura

Em altas temperaturas, a corrente de fuga numa junção p-n reversamente polarizada

pode assumir valor suficiente para que leve o tiristor ao estado de condução. Para evitar este

disparo, utilizam-se dissipadores de calor evitando o aumento excessivo de temperatura.

1.1.3.2 Métodos de comutação de um SCR

Se por um lado é fácil a entrada em condução de um SCR, o mesmo não ocorre para o

seu bloqueio. A condição para o bloqueio é que a corrente de anodo fique abaixo do valor IH –

corrente de manutenção, cujo valor é estabelecido pelo fabricante. Existem duas formas

básicas de bloqueio de um SCR.

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1.1.3.2.1 Comutação Natural

Em um circuito CA, a corrente normalmente passa por zero em algum instante levando

o SCR ao bloqueio. Este tipo de comutação é chamado comutação pela rede. Em circuitos

CC, onde a comutação depende da característica da própria carga, a comutação é definida

como comutação pela carga.

1.1.3.2.2 Comutação Forçada

É utilizada em circuitos CC onde não é possível a reversão da corrente de anodo.

Sendo assim, deve-se oferecer um caminho alternativo para a corrente, enquanto se aplica

uma tensão reversa sobre o SCR. Normalmente é utilizado um capacitor carregado

previamente com uma tensão reversa, em relação aos terminais do SCR. No instante desejado

para o corte, coloca-se o capacitor em paralelo com o SCR aplicando sobre ele uma tensão

reversa.

Entre os parâmetros importantes a serem especificados em um SCR, têm-se:

ITAV – Corrente direta média;

ITRMS – Corrente direta eficaz;

ITSM – Surto máximo de corrente;

VDRM e VRRM – Máximos valores de tensão direta e reversa;

VGT e IGT – tensão e corrente de gate;

IL e IH – corrente de “latching” e de manutenção.

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1.2 Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda

Se substituirmos o diodo do retificador de meia onda por um SCR, tem-se um

retificador controlado, o qual permite variar a tensão de saída.

1.2.1 Carga Resistiva

O circuito e as formas de onda do retificador monofásico de meia onda a tiristor estão

representados na Figura 3:

Figura 4: Retificador Monofásico de Meia Onda à Tiristor e Principais Formas de Onda

No semiciclo positivo da tensão de entrada VS o SCR está diretamente polarizado, entretanto

o mesmo não conduz, pois é necessária a aplicação de um pulso de corrente entre os terminais

gate e catodo para que ele entre em condução. Assim, no intervalo (0, a) o SCR encontra-se

bloqueado e a tensão de carga é nula. Transcorrido um certo ângulo ad (ângulo de disparo)

após a passagem da tensão Vs por zero, o circuito de disparo aplica um pulso de corrente (IG)

entre os terminais gate e catodo do SCR provocando seu disparo. Com isso, a tensão na carga

passa ser igual à tensão de entrada. Como a carga é resistiva, a forma de onda de corrente

segue a forma de onda de tensão. No instante em que a tensão de alimentação e

conseqüentemente a tensão na carga passam por zero, a corrente de carga também se anula

provocando o corte do SCR. No intervalo (p, 2p) a tensão da fonte torna-se negativa e o SCR

se mantém bloqueado. Portanto, durante este intervalo, a tensão e corrente de carga

permanecem nulas. Somente no próximo ciclo, quando for atingido o ângulo de disparo ad, é

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que ocorre o disparo e o processo se repete. Observa-se então, que variando-se o ângulo de

disparo ad varia-se a tensão média de carga.

Sendo VL MÉDIO a tensão média na carga, esta pode ser obtida pela expressão:

Onde VS RMS é a tensão eficaz de entrada.

As variações extremas ocorrem quando:

ad = 0°, então tem-se que: VL MÉDIO = 0,45VS RMS (semelhante ao retificador não

controlado);

ad = p (180°), onde tem-se que: VL MÉDIO = 0.

Na Figura 5 está representada graficamente a tensão média na carga em função do ângulo de

disparo ad.

Figura 5: Tensão na Carga em Função de ad, para um Retificador Monofásico Controlado de Meia Onda com Carga Resistiva

Note que a tensão média de saída é dada em p.u. (valor por unidade). Assim, este gráfico pode

ser utilizado para qualquer valor de tensão de entrada. Por exemplo: se o ângulo de disparo for

90°, pelo gráfico se obtém o valor 0,225. Então, para uma tensão eficaz de entrada de 127V, a

tensão média de saída será 0,225 x 127V = 28,5V.

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1.2.2 Carga RL

O circuito e as formas de onda para carga RL estão representados na figura 4.3.

Figura 6: Retificador de Meia Onda a Tiristor Alimentando Carga RL

Com carga RL o ângulo de extinção b da corrente através do SCR é maior que p. Desta forma,

enquanto a corrente através do SCR (corrente de carga) não se anula, a tensão na carga se

mantém igual à da fonte. Observa-se neste caso que, sendo o ângulo de extinção b maior que

p, a tensão de carga assume valores negativos. Como conseqüência, o valor médio da tensão

na carga se reduzirá, em relação àquele para carga puramente resistiva. A tensão média na

carga depende da tensão de entrada, do ângulo de disparo a e do ângulo de extinção b. O

ângulo b, por sua vez, depende da carga. Portanto, ao se variar a carga varia-se também a

tensão média na mesma. Esta dependência do valor médio da tensão na carga, com a

própria carga, torna-se um grande inconveniente para esta estrutura retificadora.

1.2.3 Carga RL com Diodo de “Roda Livre”

O circuito e as formas de onda para o retificador de meia onda com diodo de

circulação estãorepresentados na Figura. No intervalo (0, ad) o SCR encontra-se bloqueado,

sendo assim a tensão de carga é nula. No instante correspondente ao ângulo ad, o SCR é

disparado por ação da corrente de gatilho IG. Assim, no intervalo (a, p) a tensão na carga é

igual à tensão da fonte. No instante em que a tensão da fonte passa por zero, e na eminência

da tensão na carga se tornar negativa, o diodo de retorno é polarizado diretamente desviando a

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corrente de carga e fazendo com que o SCR bloqueie. A corrente passa a circular pelo diodo,

decaindo exponencialmente, e a tensão na carga se mantém nula.

Figura 7: Retificador Monofásico de Meia Onda a Tiristor com Diodo de Circulação

Se o ângulo de disparo for elevado, é provável que a corrente se anule antes do próximo

disparo, caracterizando condução descontínua. Da mesma forma ocorre quando a carga

apresenta baixa constante de tempo L / R, ou em outras palavras, se a carga for ‘pouco

indutiva’. Por outro lado, para baixos ângulos de disparo e cargas com elevada constante de

tempo, possivelmente a condução será contínua.

Seja a expressão seguinte para o calculo do valor médio da tensão na carga.

Note que esta expressão é a mesma utilizada para o retificador de meia onda com carga

resistiva pura. Portanto, agora o valor médio da tensão na carga independe do ângulo de

extinção b, ou seja, independe da carga. Desta forma, para uma dada carga indutiva, o diodo

de circulação provoca um aumento no valor médio da tensão na carga, em relação à estrutura

sem este diodo.

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3 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS EXPERIÊNCIAS

Abaixo seguem os materiais e equipamentos utilizados em laboratório.

3.1 Materiais

- 1 Módulo de Disparo e Medição de Ângulo – Módulo 8440

- 1 Transformador 110/24V + 24 ( de até 10A) – Módulo 8440

- 2 Tiristores TIC 126 M ou Similar – Módulo 8441

- 1 Lâmpada 60W / 127V – Módulo 8440

- 3 Indutores de aproximadamente 300mH – Módulo 8844

- 4 Diodos SKN 12/08 ou similar – Módulo 8441

- 1 Resistor de 0,22 R/20 W – Módulo 8441

- 1 Motor de Corrente Contínua 1/ 8 cv – Módulo 8445

3.2 Equipamentos

- 1 Osciloscópio

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4 PROCEDIMENTOS E RESULTADOS

Realizamos experiências para retificadores controlados monofásicos de meia onda.

Observação: Cuidado na monitoração simultânea de dois canais. A maioria dos osciloscópios

possui GND comum, portanto, deve-se evitar colocar os GND’s em potenciais diferentes, para

não provocar um curto via osciloscópio.

Para a experiência deste capitulo, a operação do módulo 8440 deve ser monofásica.

É conveniente, ao energizar a bancada, que o ângulo de disparo esteja em torno de 150°.

Também o circuito de disparo deve estar bloqueado (chave MAN), devendo ser habilitado

somente depois de energizada a parte de potencia (SCR’s).

As experiências em SCR’s ( retificadores, pontes, controladores AC/ DC), devem ser feitas,

preferencialmente, com o Snubber, que evita o disparo acidental devido ao dv/dt.

Pode-se executa-las depois sem o Snubber para verificar o efeito do mesmo.

4.1 Experiencia 1: Retificadores Controlados Monofásicos em Meia-Onda

Montamos o circuito da Figura 8 que segue abaixo, deixando desernergizado:

Figura 8: Circuito montado para a Experiência - Retificadores Controlados Monofásicos em Meia-Onda

Sendo:

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TF1: Transformador 110/ 24 V + 24V – Módulo 8440;

SCR1: Tiristor ( com Snubber) TIC 126 M – Módulo 8441 e;

LA1: Lâmpada 60W/ 127V – Módulo 8844.

Passos:

1°) Ligamos o Módulo de Disparo e Medição de Ângulo. Habilitamos o disparo com a chave

em EXT. Variamos o ângulo de disparo (α) e observamos o ocorrido.

As formas de onda foram plotadas para um valor de α = 30°

Obs.: VAN: Secundário do Trafo de Força

5 CONCLUSÃO

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REFERÊNCIAS

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POMILIO, José. Tiristores e Retificadores Controlados. Unicamp. Disponível em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo2.pdf>. Acesso em 4 de abr. de 2013.

Tiristores. Ebah. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAABA8EAE/apostila-eletronica-potencia?part=3>. Acesso em 4 de abr. de 2013.