Conceitos Fundamentais

Os tiristores, em particular os SCRs (Silicon Controlled Rectifiers), são dispositivos semicondutores de grande relevância no controle de potência em corrente alternada (AC). Eles pertencem à família dos semicondutores de quatro camadas (PNPN) e comportam-se como chaves eletrônicas que, quando acionadas, permitem a condução de corrente em apenas uma direção. Esse comportamento unidirecional e a capacidade de disparo controlado tornam os SCRs ideais para aplicações que vão desde retificação controlada até regulação de tensão e potência em cargas resistivas, indutivas e mistas.

O funcionamento de um SCR baseia-se no princípio de inserir um pulso de corrente (ou tensão) no terminal de gate (g), de modo a tornar o dispositivo condutor entre o terminal anódico (a) e o catódico (k). Uma vez conduzindo, o SCR permanece no estado de condução enquanto a corrente permaneça acima do valor de manutenção (I_H), até que a corrente reversa ou zero interrompa o fluxo.

Para compreender adequadamente o controle de potência AC através de SCRs, precisa-se ter clareza sobre os seguintes pontos fundamentais:

• Disparo: impulso de gate que leva ao estado de condução;
• Manutenção: corrente mínima necessária para manter o dispositivo conduzindo;
• Recuperação: tempo e processo pelos quais o SCR retorna ao estado de bloqueio;
• Controle de ângulo de disparo: técnica para modular a potência média entregue à carga em cada semi-onda da fonte AC.

Fundamentos Matemáticos/Técnicos

Modelo de Tensões e Correntes

No estudo do controle AC com SCRs, adota-se com frequência o modelo de média de cada semi-onda, considerando o ângulo de disparo α. Se a fonte for senoidal v_s(t) = V_m·sin(ωt), a tensão média na carga para um circuito de meia onda é dada por:

\( V_{o,\text{med}} = \frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi} V_{m}\sin(\theta)\,d\theta = \frac{V_{m}}{\pi}(1 + \cos\alpha) \)

Para o valor eficaz, que define a potência entregue, usamos:

\( V_{o,\text{rms}} = \sqrt{\frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi} (V_{m}\sin\theta)^2\,d\theta} \)

A expressão analítica dessa integral resulta em:

\( V_{o,\text{rms}} = \frac{V_{m}}{2}\sqrt{\frac{\pi - \alpha + \frac{\sin(2\alpha)}{2}}{\pi}} \)

Potência Média e Controle de Ângulo

A potência média dissipada em uma carga resistiva R é:

\( P = \frac{V_{o,\text{rms}}^2}{R} \)

Como o valor eficaz depende de α, podemos controlar a potência variando esse ângulo dentro de cada semi-onda. Fisicamente, isso corresponde a atrasar o instante em que o SCR entra em condução, reduzindo o tempo efetivo de aplicação da tensão.

Implicações em Cargas Indutivas

Quando a carga possui componente indutiva, surge o problema do deslocamento de fase entre tensão e corrente. O ângulo de condução não termina necessariamente em π, mas em π + ϕ, onde ϕ é o ângulo de defasagem. Isso afeta tanto a forma de onda quanto os requisitos de disparo inverso para recuperar o estado de bloqueio. Para analisar, usamos a equação diferencial:

\( L\frac{di(t)}{dt} + Ri(t) = V_{m}\sin(\omega t) \)

Com condição inicial i(t_disparo) = 0. A solução impõe que, mesmo após a passagem por zero da tensão, a corrente pode manter o SCR conduzindo até que i(t) caia abaixo da corrente de manutenção I_H.

Implementação Prática

Configurações de Circuito

Na prática, existem duas configurações de controle de potência mais empregadas:

• Meia onda controlada: uso de um único SCR em série com a carga. Simples, porém gera alto conteúdo harmônico e baixa regulação.
• Ponte completa controlada: quatro SCRs dispostos em ponte de Graetz. Permite controle independência em ambas semi-ondas, menor ondulação e melhor aproveitamento da fonte.

Cada configuração requer estratégias de proteção, como resistores de gate de limitação de corrente, diodos de snubber para controlar dV/dt e capacitores para reduzir picos de tensão.

Disparo e Geração de Ângulo

Para obter o ângulo de disparo α desejado, recorre-se a circuitos de sincronização com a rede e a lógica de controle. Tipicamente inclui:

• Sensor de fase na fonte (zero crossing detector);
• Clock ou temporizador que gera o pulso de gate após atraso programável;
• Driver de gate, isolado galvanicamente via transformador ou optoacoplador.

Fisicamente, a sincronização assegura que o SCR só seja disparado quando v_AN > 0 e após o ângulo α, evitando disparos indevidos.

Análise de Harmônicos e Filtro

Não se pode negligenciar os harmônicos gerados pelo controle por ângulo de disparo. A forma de onda retalhada em cada semi-onda carrega componentes harmônicos de ordem ímpar. A densidade espectral desses harmônicos depende do ângulo α e pode ser analisada via série de Fourier. Para mitigar, empregam-se filtros passivos (rejillas LC) ou ativos que minimizam o THD (Total Harmonic Distortion).

Considerações Gerais

Ao projetar um sistema de controle de potência AC com SCRs, devem-se considerar diversos fatores práticos:

• Taxa de variação de tensão (dV/dt): se muito alta, pode ocorrer disparo involuntário. A solução inclui a malha RC (snubber).
• Proteção contra sobrecorrente: fusíveis rápidos, disjuntores eletrônicos e circuitos de sensoriamento de corrente.
• Temperatura e dissipação térmica: dissipadores de calor dimensionados conforme a corrente média e a impedância térmica do encapsulamento.
• Modo de falha: um SCR em curto pode gerar sobrecorrentes perigosas; previne-se com redundância e circuitos de bloqueio forçado.

Física e empiricamente, as proteções garantem a confiabilidade do sistema, uma vez que os tiristores não possuem trajetória de avalanche controlada como transistores modernos.

Conceitos Avançados

Módulos Integrados e GTOs

Além do SCR tradicional, existem variantes como os GTOs (Gate Turn-Off Thyristors), que permitem tanto o disparo quanto o bloqueio via gate, aumentando a flexibilidade. Os GTOs exigem pulsos de corrente de gate de polaridade reversa para desligar, o que complica o driver mas possibilita controle bidirecional mais ágil.

Mecanismos de Recomutação

Em sistemas trifásicos, os tiristores podem ser associados em inversores controlados e conversores DC-DC. Técnicas de commutation (recomutação) natural ou forçada utilizam elementos adicionais (capacitores, indutores ou fontes auxiliares) para assegurar o desligamento em ângulos específicos, fundamental em eletrônica de potência de alta frequência.

Modelagem Dinâmica e Simulação

A modelagem detalhada de SCRs no domínio do tempo envolve equações não-lineares e eventos de comutação. Software como PSCAD, PLECS e SPICE permitem simular a dinâmica de condução, perdas e interações com a rede. Tais modelos incluem:

• Modelos de junção PNPN com capacitâncias de difusão e de barreira dependentes de tensão.
• Tempos de disparo, de retenção e de recuperação reversa.
• Perdas de condução (I²·R_on) e de comutação (energia E_on, E_off).

Tendências

Embora os SCRs continuem populares em aplicações de alta potência pela robustez e baixo custo, as tendências tecnológicas apontam para o uso crescente de dispositivos à base de wide bandgap, como SiC (carbeto de silício) e GaN (nitreto de gálio). Esses semicondutores oferecem:

• Maior tensão de bloqueio por unidade de área;
• Menores perdas de condução e comutação;
• Operação em temperaturas elevadas;
• Redução de tamanho de indutores e filtros.

Em paralelo, surgem técnicas de controle digital em tempo real (DSPs e FPGAs) que implementam algoritmos de modulação vetorial, adaptive firing e sincronismo avançado, elevando o rendimento e reduzindo as emissões eletromagnéticas. Ainda que o princípio de controle por ângulo continue vigente, a combinação com modulação PWM híbrida e topologias bidirecionais redefine o que hoje entendemos por controle de potência AC.