Basic operation and practical application circuits for SCRs.
um retificador de silício controlado é um interruptor de corrente contínua controlável de médio a alto poder. Este artigo explica o seu funcionamento básico e mostra algumas formas práticas de o utilizar.
SCR noções básicas
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| FIGURA 1., Símbolos SCR alternativos (A) e circuito equivalente SCR (B). | Figura 2. Forma básica de usar um SCR como um interruptor DC. |
An SCR is a four-layer PNPN Silicon semiconductor device. Tem três terminais externos(ânodo, porta e cátodo) e usa os símbolos alternativos da Figura 1(A) e tem o circuito equivalente transistor da Figura 1(b). A figura 2 mostra a maneira básica de usar o SCR como um interruptor DC, com o ânodo positivo em relação ao cátodo, e o SCR controlado através de sua porta., As características básicas do SCR podem ser entendidas com o auxílio destes diagramas, do seguinte modo:
- Quando a potência é aplicada pela primeira vez ao SCR fechando S1 na Figura 2, o SCR é “bloqueado” e age (entre ânodo e cátodo) como um interruptor aberto. Esta ação é implícita pela Figura 1 (b), ou seja, a corrente de base do Q2 é derivada do coletor Q1, e a corrente de base do Q1 é derivada do coletor Q2 ou do terminal da porta; neste último caso, nenhuma corrente de base está disponível, de modo que ambos os transistores são cortados, e apenas uma pequena corrente de vazamento flui de ânodo para cátodo.,
- o SCR pode ser ativado e feito para agir como um retificador de silício com tendência para a frente, aplicando brevemente a corrente da porta a ele através de S2; o SCR rapidamente (em alguns microssegundos) se tranca no estado on sob esta condição, e permanece ligado mesmo quando a unidade da porta é removida. Esta ação está implícita na Figura 1 (b); a corrente inicial da porta liga o Q1, e a corrente do coletor do Q1 liga o Q2, e a corrente do coletor do Q2 então mantém o Q1 ligado mesmo quando a unidade da porta é removida: um potencial de ‘saturação’ de 1V ou assim é gerado entre o ânodo e o cátodo sob a condição on.,
- apenas é necessário um breve pulso de corrente da porta para conduzir o SCR. Uma vez que o SCR é self-latched, ele só pode ser desligado novamente, reduzindo brevemente sua corrente anódica abaixo de um certo valor de “mínima corrente de retenção” (tipicamente, alguns miliamperes); em aplicações AC, o desligamento ocorre automaticamente no ponto de cruzamento zero em cada meio ciclo.
- considerável ganho de corrente está disponível entre a porta e ânodo do SCR, e valores baixos de corrente da porta (tipicamente alguns mA ou menos) podem controlar valores elevados de corrente do ânodo (até dezenas de amps)., A maioria dos SCRs tem índices anódicos de centenas de volts. As características da porta SCR são semelhantes às de uma junção transistor base-emissor [ver Figura 1(b)].
- capacitância interna (alguns pF) existe entre o ânodo e a porta do SCR, e uma tensão que aumenta acentuadamente aparecendo no ânodo pode causar um avanço de sinal suficiente para o portal para ativar o SCR. Este efeito de taxa pode ser causado por transientes da linha de abastecimento, etc. Problemas de efeito de taxa podem ser superados por fiação de uma rede de alisamento C-R entre o ânodo e o cátodo, para limitar a taxa de aumento a um valor seguro.,
circuitos de comutação de potência de CORRENTE ALTERNADA
A Figura 3 mostra um SCR utilizado numa aplicação de comutação de potência de CORRENTE ALTERNADA; valores dos componentes alternativos são mostrados para utilização com 240V ou (entre parêntesis) fontes de corrente alternada de 120V. O sinal da linha de alimentação de corrente alternada é rectificado através de D1-D4 e aplicado ao ânodo SCR através da carga da lâmpada LP1.
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| FIGURA 3. Circuito SCR de onda total ligado com carga de corrente contínua. | Figura 4., Circuito SCR de onda total ligado com carga de CORRENTE ALTERNADA. |
If S1 is open, the SCR and lamp are off. Se S1 estiver fechado, R1-R2 aplica a movimentação da porta ao SCR, que se liga e se fecha logo após o início de cada meio ciclo e depois se desliga novamente automaticamente no final do meio ciclo, À medida que a sua corrente anterior cai abaixo do valor mínimo de retenção. Este processo se repete em cada meio ciclo, e a lâmpada, portanto, funciona em plena potência sob esta condição.,
o ânodo SCR cai para cerca de 1V quando o SCR Está ligado, então S1 e R1-R2 consomem pouca potência média. Note-se que a carga da lâmpada é colocada no lado de corrente contínua do retificador da ponte, e este circuito é, portanto, indicado para utilização com cargas de corrente contínua; pode ser modificado para utilização com cargas de CORRENTE ALTERNADA simplesmente colocando a carga no lado de corrente alternada da ponte, como Na Figura 4.,
Note que SCRs também pode ser usado de várias maneiras para aplicar variável de alimentação de CA para diversos tipos de carga, mas que estas tarefas são geralmente executadas por TRIACs, como será descrito em um artigo futuro; dois tipos especiais de SCR variável de alimentação de CA circuitos de controle são, no entanto, apresentado no final do presente artigo.
circuitos de alarme para Campainha / Campainha de alarme
Figura 5. Circuito básico de alarme SCR.
Figura 6. Circuito de alarme multi-entrada sem fecho.,
Figura 7. Alarme de pânico com várias entradas.
Uma aplicação útil do SCR está em DC ‘alarme’ circuitos que utilizam a auto-interrupção de cargas, tais como sinos ou campainhas; essas cargas compõem um solenóide e uma série de mudar, e dar uma acção na qual o solenóide primeiro atira para a frente através do interruptor fechado, e ao fazer isso, força o interruptor para abrir, tornando assim o solenóide cair e voltar a fechar o interruptor, assim reiniciar a ação, e assim por diante.,
A Figura 5 mostra esse circuito de alarme; ele efetivamente dá uma ação sem fechamento de carga de condução, uma vez que o SCR desbloqueia automaticamente cada vez que a carga auto-interrompe. O circuito pode ser feito completamente self-latching, se desejado, por shunting a carga com resistor R3, como mostrado, de modo que a corrente do ânodo SCR não cai abaixo do valor mínimo de retenção do SCR como a carga auto-interrupts.as figuras 6 a 14 mostram uma selecção de circuitos de alarme deste tipo. Todos eles são projetados em torno do tipo barato C106 SCR, que pode lidar com correntes de carga média até 2.,5 amps, necessita de uma corrente porta inferior a 200mA e tem um valor “corrente de retenção mínima” inferior a 3mA. Note em todos os casos que a tensão de alimentação deve ser cerca de 1,5 V maior do que a tensão de funcionamento normal do dispositivo de alarme usado, para compensar as perdas de tensão através do SCR, e que o diodo D1 é usado para barrar os back-EMF do alarme.
A Figura 6 mostra um simples alarme multi-entrada sem fecho, no qual o alarme activa quando qualquer um dos interruptores de entrada S1 para S3 são fechados, mas pára de funcionar assim que o interruptor é libertado.,
A Figura 7 mostra o circuito acima convertido num alarme de “pânico” de entrada múltipla de auto-fixação por cablagem R3 mais um interruptor de reset normalmente fechado S4 em paralelo com o dispositivo de alarme. Uma vez que este circuito tenha fechado, ele pode ser desbloqueado novamente (reset) abrindo brevemente S4.a figura 8 mostra um simples sistema de alarme contra roubo, completo com a instalação “pânico”. O alarme pode ser ativado abrindo brevemente qualquer um dos interruptores S1 a S3 ‘alarme anti-roubo’ (que podem ser relés de palhetas ou microswitches que são ativados pela ação de abrir portas ou janelas, etc.,), ou fechando brevemente qualquer um dos interruptores de “pânico”. C1 age como um supressor de ruído que garante que o alarme só se ativa se os interruptores S1 para S3 são mantidos abertos por mais de um milissegundo ou mais, aumentando assim a confiabilidade do circuito. O circuito consome uma corrente típica de vigília de 0,5 mA (via R1) a partir de uma fonte de 6V.
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| FIGURA 8., Sistema de alarme simples, com facilidade de pânico. | Figura 9. Melhor circuito de alarme anti-roubo. |
A corrente de espera do alarme de assaltante circuito pode ser reduzido a um mero 1.4 mA (em 6V), modificando-a, conforme mostrado na Figura 9, onde Q1 e Q2 são conectados como um Darlington amplificador de emissor comum que inverte e aumenta o R1 derivada de ‘ladrão’ de sinal e, em seguida, passa para o gate do SCR., Aqui, C1 é usado como um componente de tempo-atraso que garante que o alarme só se ativa se os interruptores S1 para S3 são mantidos abertos por mais de alguns segundos; o valor C1 pode ser muito reduzido, se desejado.alarmes de água, de luz e de calor
o circuito básico de alarme accionado pelo SCR pode ser utilizado para indicar a presença de níveis de água em excesso, de luz ou de temperatura, accionando a porta SCR através de circuitos sensoriais adequados; as figuras 10 a 14 mostram circuitos de alarme deste tipo.,
A Figura 10 “alarme activado por água” utiliza o Q1 para activar o SCR quando aparece uma resistência inferior a 220 K ao longo das duas sondas metálicas. Seu funcionamento como um alarme ativado pela água depende do fato de que as impurezas na água normal (e muitos outros líquidos e vapores) fazem com que ela atue como um meio condutor com uma resistência elétrica moderadamente baixa, o que faz com que o alarme seja ativado quando a água entra em contato com ambas as sondas simultaneamente.,
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| FIGURE 10. Water-activated alarm. | FIGURE 11. Light-activated alarm. |
C1 suppresses unwanted AC signal pick-up, and R2 limits Q1’s base current to a safe value., Ajustando adequadamente a colocação das duas sondas de metal, este circuito pode ser utilizado para soar um alarme quando a água sobe acima de um nível pré-fixado num banho, tanque, cisterna, etc.
A Figura 11 é um circuito “activado pela luz” que pode ser utilizado para soar um alarme quando a luz entra numa área normalmente escura, como uma gaveta ou um cofre de parede, etc., O LDR e o RV1 formam um divisor potencial sensível à luz que tem a sua saída tamponada através do Q1 e alimentado para a porta SCR via R1; esta saída é baixa em condições escuras (a resistência do LDR é elevada), mas vai alto em condições brilhantes (a resistência do LDR é baixa), e assim acciona o SCR e o alarme ligado; o ponto de disparo da luz pode ser pré-ajustado via RV1. Quase qualquer pequena célula Fotocopiadora de sulfureto de cádmio pode ser utilizada na posição LDR.os alarmes activados a temperatura podem ser utilizados para indicar as condições de fogo ou sobreaquecimento, geada ou sobreaquecimento., As figuras 12 a 14 mostram três desses circuitos; em cada um deles, o TH1 pode ser qualquer termistor NTC que tenha uma resistência na faixa de 1k0 a 20k à temperatura de desencadeamento necessária; pré-definido pot RV1 precisa de um valor de resistência máxima aproximadamente o dobro do TH1 sob esta condição de desencadeamento.
A Figura 12 do alarme de sobre-temperatura utiliza o R1-R2 e o TH1-RV1 como Ponte de Wheatstone na qual o R1-R2 gera uma tensão de “referência” fixa de meia-alimentação e o TH1-RV1 gera uma tensão “variável” sensível à temperatura, e o Q1 é utilizado como detector de equilíbrio da ponte e condutor da porta SCR., O RV1 é regulado de modo a que as tensões “de referência” e “variável” sejam iguais a uma temperatura imediatamente inferior ao valor de desencadeamento exigido, e sob esta condição, a base Q1 e o emissor estão em tensões iguais e o Q1 e o SCR são assim cortados.
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| FIGURA 12. Um simples alarme de temperatura excessiva. | Figura 13. Gelo simples ou alarme de temperatura baixa., |
Quando a temperatura do TH1 vai acima deste valor de “equilíbrio”, a tensão do TH1-RV1 cai abaixo do valor de “referência”, de modo que o Q1 se torna enviesado e impulsiona o SCR, soando assim o alarme. O ponto de desencadeamento preciso pode ser pré-ajustado via RV1.
a ação do circuito pode ser revertida, de modo que o alarme acende quando a temperatura cai abaixo de um nível pré-definido, simplesmente transpondo as posições TH1 e RV1, como mostrado no gelo ou no circuito de alarme de baixa temperatura Da Figura 13.,
Figura 14. Alarme de alta temperatura de precisão.
Nota nestes dois circuitos que se TH1 e Q1 não são montados no mesmo ambiente, os pontos de desencadeamento precisos estão sujeitos a uma ligeira variação com alterações na temperatura Q1, devido à dependência de temperatura de suas características de junção base-emissor. Estes circuitos não são, portanto, adequados para uso em aplicações de precisão, a menos que Q1 e TH1 operem a temperaturas iguais.,
Este obstáculo pode ser superado usando um detector diferencial de dois transístores no lugar de Q1, Como mostrado na Figura 14 alarme sobre temperatura, que pode ser feito para agir como um alarme de precisão sob temperatura, simplesmente transpondo RV1 e TH1.todos os circuitos SCR até agora mostrados dão uma forma on/off de controle de potência. SCRs (e TRIACs) podem ser usados para dar controle de potência variável em circuitos de CA de várias maneiras., Uma delas é através da técnica de “comutação retardada por fase” da Figura 15, na qual a potência é alimentada à carga através de um interruptor de estado sólido de auto-fixação que pode ser disparado (através de uma rede variável de atraso de fase e de um gerador de impulsos de activação) em qualquer ponto de cada meio-ciclo de potência, e desbloqueia automaticamente de novo no final de cada meio-ciclo. O diagrama mostra as formas de onda de tensão de carga que podem ser geradas.
Figura 15. Variable phase-delay-switching AC power controller with waveforms.,
Assim, se o interruptor é acionado perto do início de cada semi-ciclo (com perto de 0° atraso de fase), a média da tensão de carga é igual a quase completa fonte de valor, e a carga consome perto do máximo de energia; se ele é disparado perto do final de cada semi-ciclo (com quase 180° atraso de fase), a média da tensão de carga é perto de zero, e a carga consome um mínimo de energia; através da variação do sinal de trigger da fase de atraso entre estes dois extremos, a carga de alimentação de energia pode variar entre zero e máximo.,esta forma de controle de potência variável é muito eficiente (normalmente 95%), e pode (entre outras coisas) ser usado para controlar as velocidades de muitos tipos de motor elétrico, incluindo os de exercícios elétricos e modelos de trens (ver figuras 16 e 17).
um controlador de velocidade de perfuração
Figura 16. Controlador de velocidade de perfuração eléctrico.
a maioria das brocas eléctricas são alimentadas por motores eléctricos “universal” (AC / DC)., Estes motores gerar um eletromotriz é proporcional à velocidade do motor, e o motor efetiva da tensão aplicada, portanto, é igual a a verdadeira tensão aplicada menos o eletromotriz; isso dá ao motor de um grau de velocidade de auto-regulação, uma vez que qualquer aumento no motor de carregamento tende a reduzir a velocidade e eletromotriz, aumentando, assim, a efetiva tensão aplicada e fazendo com que a velocidade do motor para subir para o seu valor original, e assim por diante.
a velocidade de uma broca eléctrica pode ser alterada electronicamente utilizando a técnica de comutação com atraso de fase., A figura 16 mostra um circuito regulador de Velocidade Variável particularmente eficaz mas simples. Este usa um SCR como o elemento de controle e feeds de meia-onda de energia para o motor (isto provoca uma redução de 20% na máxima velocidade disponível/poder), mas na metade do ciclo, o eletromotriz do motor é detectada pelo SCR e usado para dar ajuste automático do próximo pulso de disparo, para dar automático de velocidade regulamento.
a rede R1-RV1-D1 fornece apenas 90° de ajuste de fase, de modo que todos os impulsos de motor têm durações mínimas de 90° e proporcionam um binário muito elevado., A baixas velocidades, O circuito entra em modo “skip cycling” de alto binário, no qual os impulsos de potência são fornecidos intermitentemente, de acordo com as condições de carga do motor.
controlador de Velocidade do comboio modelo
Figura 17 mostra como a técnica de “comutação retardada em fase” pode ser utilizada para fazer um excelente Controlador de Velocidade do comboio-modelo de 12 volts que permite que a velocidade varie suavemente de zero até ao máximo.
Figura 17. Circuito controlador de Velocidade do comboio modelo com protecção automática de curto-circuito.
a corrente de saída máxima disponível é 1.,5 amps, mas a unidade incorpora circuitos sensores de curto-circuito e circuitos de proteção que limitam automaticamente a corrente de saída a um valor médio de apenas 100mA se ocorrer um curto-circuito na Via. O circuito funciona da seguinte forma.
a tensão da linha de alimentação do circuito é descida através de T1 e a ponte de onda completa é retificada através de BR1, para produzir uma fonte de corrente contínua crua (não explorada) que é alimentada ao comboio-modelo (através dos carris de Via) através do SCR conectado em série e do interruptor de controlo de direcção SW3.,
no início de cada meio ciclo de corrente contínua em bruto, o SCR está desligado, por isso a tensão de corrente contínua é aplicada (via R4 e ZD1) ao transistor de unijunções (UJT) Q1 e ao seu associado C1-RV1 (etc.) um circuito de temporização e C1 começa a carregar até, eventualmente, o UJT incêndios e dispara o SCR; como o SCR é ligado, ele satura, remover a alimentação do Q1 (que, portanto, repõe) e alimentar o resto do poder de semi-ciclo, para o modelo de trem através de R2//R3 (= R2 e R3 em paralelo) e SW3.
Este processo de temporização/comutação repete-se em cada meio-ciclo de corrente contínua em bruto (i.e.,, com o dobro da frequência da linha de alimentação), dando uma ação clássica de controle de potência que permite que a velocidade do trem seja variada em uma ampla gama via RV1.
Note que a corrente de saída do circuito passa através de R2/R3, que gera uma tensão de saída proporcional que é detectada pelo pico e armazenada via D1-C2 e alimentada para a base Q2 via R8-R9.
a ação Global é tal que, por causa da ação de armazenamento de tensão de C2, Q2 liga e desativa a rede de tempo do UJT (impedindo assim o SCR de disparar) para vários semi-ciclos se a corrente de saída de pico exceder 1,5 amps.,
assim, se ocorrer um curto-circuito através da pista, a corrente de saída de meio ciclo é limitada a um valor de pico de alguns amps pela resistência interna do circuito, mas o circuito de proteção garante que o SCR dispara apenas uma vez em (digamos) cada 15 Meio-ciclos, limitando assim a corrente de saída média a meros 100mA.
Note que o UJT mostrado aqui é um tipo tis43 obsoleto, e que na prática qualquer TIS43 ou 2N2646 UJT quase equivalente pode ser usado em seu lugar.
Optocoupled SCRs
FIGURA 18., Contorno típico (a) E Características (b) de um SCR optocoupled.
Figura 19. Controle de alta potência através de um escravo SCR optocoupled.
SCRs são dispositivos semicondutores de comutação de potência que (como transístores) são inerentemente fotossensíveis. Um SCR optocoupled é simplesmente um SCR e um LED montado em um único pacote e configurado de modo que a corrente da porta do SCR é controlada pela saída óptica do LED, permitindo assim que o SCR seja controlado por uma corrente de entrada remota que é eletricamente totalmente isolada do circuito de saída do SCR (carga).,
Figura 18 (a) mostra o contorno típico de um SCR optocoupled que é montado em um pacote de DIL de seis pinos, e a Figura 18(B) lista os valores típicos de Parâmetros de tal dispositivo, que tem uma carga corrente de saída média de apenas 300mA, mas tem uma corrente de pico de 5A a uma largura de impulso de 100mS e um ciclo de funcionamento de 1%.
SCRs Optocoupled são muito fáceis de usar; o LED de entrada é conduzido no caminho de um LED normal,e o SCR é usado como um SCR normal de baixa potência.,
a aplicação mais importante do SCR optocoupled é um dispositivo ‘escravo’ que controla a corrente da porta de um SCR de alta potência,que pode ativar uma carga de qualquer potência desejada. A Figura 19 mostra um exemplo deste tipo de Aplicação. NV
