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.
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