Protetor de sobretensão

Podemos utilizar um SCR com diversos fins em tensão contínua. Uma das formas onde ele pode ser utilizado é como protetor de sobre tensão em uma fonte de tensão que tenha a sua saída fixa em um determinado valor. Vamos supor que tenhamos uma fonte de 12 Vcc e que ela esteja ligada em um circuito que não possa ter uma alimentação, em nenhum caso, superior a 14 Vcc. Podemos, com um SCR, criar um pequeno circuito que faça a alimentação ser interrompida caso a tensão da fonte chegue a 14 Vcc.

Como funcionam os componentes:

Um SCR é um diodo controlado de silício, isto quer dizer que: ele tem apenas uma direção de condução, como um diodo comum, mas que a sua condução irá depender de um pulso de tensão em seu gate para começar. No caso da linha TIC106, este pulso deve ter uma amplitude de 1 volt maior do que a tensão do catodo. No nosso caso como a o catodo está ligado no terra à tensão de gate para disparo será de 1 volt (Vgk). O gate consome uma corrente para disparar o SCR, esta corrente recebe o nome de corrente de disparo (Id) e tem um valor, na linha TIC106, de 200uA.

Um diodo zener apresenta a seguinte característica: quando inversamente polarizado estabiliza uma tensão sobre si. Esta tensão recebe o nome de tensão zener (Vz). Esta tensão ficará fixa dentro de limites impostos pela mínima e máxima corrente através do zener (Iz).

Podemos dizer que se um zener de 12 volts começara a estabilizar a tensão sobre ele, e fixá-la em 12 volts, a partir do momento em que por ele passa a corrente mínima. Para que um diodo zener funcione corretamente deve estar devidamente polarizado por resistores ou outros componentes.

Como funciona o circuito:

Enquanto a tensão é menor do que 14 volts o diodo zener não conduz e o SCR não é disparado, pois não existe corrente em seu gate, veja que para existir uma corrente de gate o zener tem que conduzir. Quando a tensão chegar a 14 volts o zener começará a conduzir e o SCR disparará, colocando o ponto X em curto com o terra através de R1. Perceba que, imediatamente antes do ponto X, existe um fusível. Quando o SCR conduzir a corrente que irá passar por este fusível será o suficiente para abri-lo o mais rápido possível, impedindo assim, que a tensão na saída passe de 14 volts e que algum componente, tanto do circuito alimentado, como da fonte sejam prejudicados.

Vamos dimensionar o circuito:

Para tanto precisamos conhecer algumas características dos componentes que estaremos utilizando neste circuito:

SCR TIC106D

corrente de disparo (Id) = 200uA.
máxima corrente constante entre anodo e catodo = 5A.
máxima corrente de pico entre anodo e catodo = 30A.
máxima tensão entre anodo e catodo = 400V.
tensão entre gate a catodo (Vgk) para disparo = 1 volt.

Diodo zener (Z1) 1N4742 = 12 volts x 1 Watt.

Com estas características, que são obtidas com o fabricante, já podemos calcular o circuito. O primeiro passo é definir as corrente máxima e mínima do zener. Para isto utilizamos as seguintes equações:

Izmax = Pz / Vz onde: Izmax é a máxima corrente que o zener suporta, Pz é a potência do zener e Vz são a tensão do diodo zener.
Izmax = Pz / Vz
Izmax = 1 W / 12 Vcc = 83,33mA

Agora temos que calcular a corrente mínima do zener. O valor desta corrente é, normalmente, 10% de seu valor máximo, temos então:

Izmin = Izmax / 10
Izmin = 83,33mA / 10 = 8,33mA

Em nosso circuito o valor de Izmin será muito importante, pois será a partir deste valor que faremos os nossos cálculos para encontrar o valor dos outros componentes. A partir do Izmin o zener já estará conduzindo e o SCR já disparará colocando o fusível em curto com o terra abrindo-o.

Com o valor de Izm já podemos calcular o valor do resistor R1:

R1 = V de entrada máximo – Vz – Vgk / Izmin

Onde:

V de entrada máximo é igual aos 14 volts.

Vz é igual à tensão do zener, ou seja, 12 volts.
Vgk é igual à tensão necessária entre gate e catodo do scr para que ele dispare que é igual a 1 volt.

R1 = 14 – 12 – 1 / 8,33mA = 120 Ohms.

A potência deste resistor pode ser calculada assim:

PR1 = VR1 x Izmin = 1 x 8,33mA = 0,0083 W podemos usar um resistor de 1/8 de watt com certeza pois 1/8W = 0,125 W > 0,0083W.

R2 deve ser calculado para drenar, para o terra, o excesso da corrente que passa pelo zener. Sabemos que a corrente de disparo do SCR é de 200uA, portanto a restante da corrente que passa pelo zener será “desviada” para o terra pelo resistor R2.

Cálculo de R2:

R2 = Vgk / Izmin – Id
VR2 é igual a Vgk pois os dois estão em paralelo.
R2 = 1 / 8.33mA – 200uA
R2 = 1 / 0,00833 – 0,0002
R2 = 1 / 0,00813 = 123 Ohms, adotamos o valor comercial de 120 Ohms.

A potencia deste resistor será calculada assim:

PR2 = Vgk x Izmin – Id
PR2 = 1 x 0,00813 = 0,00813W

Podemos utilizar um resistor de 1/8W que é capaz de dissipar uma potência de 0,125W.

Para calcular R3 devemos levar em consideração a máxima corrente que o SCR suporta (como será apenas um pico de corrente podemos levar em consideração a corrente de pico do SCR) e o valor do fusível (F1). Normalmente este resistor tem um valor ôhmico baixo e é capaz de dissipar alguns watts de potência. Na prática encontramos fusíveis que abrem apenas com um valor muito maior que o seu valor nominal por isto adotamos como corrente de ruptura do fusível um valor, no mínimo, 80% maior do que a corrente nominal.

No nosso exemplo vamos adotar a máxima corrente constante do SCR, para obter um resistor de valor menor. Podemos fazer isto pois esta corrente só circulará por um breve instante e está muito abaixo da máxima corrente de pico do SCR.

R3 = V entrada máxima / 5A
R3 = 14 V / 5 A = 2,8 Ohms , podemos adotar o valor comercial de 2,7 Ohms.

A potencia deste resistor seria de:

PR3 = VR3 x IrR3 = 14 x 5 = 70W. Mas, na prática, como esta corrente irá passar pelo resistor durante um período muito curto podemos adotar uma potência bem menor:

PR3 = PR3 calculado / 10 = 70 / 10 = 7W. Podemos adotar o valor comercial de 10W.

Como fica o circuito:

“Puxando” para o vermelho estão os blocos e componentes normais da fonte e “puxando” para o azul está a proteção acrescentada com a indicação dos componentes calculados.