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Professor Francisco Mesquitta
TIRISTORES Os
tiristores são uma família de dispositivos semicondutores de potência com 4 camadas (PNPN).
A principal vantagem é a capacidade de converter e controlar grandes quantidades de potência, em sistemas DC ou AC, utilizando uma pequena potência para controle.
São exemplos de tiristores: SCR
TRIAC
TIRISTORES - SCR O retificador controlado de silício (silicon controlled rectifier – SCR) é o controlador elétrico de potência com uso mais difundido, sendo amplamente utilizado em aplicações como: fontes de alimentação reguladas de potência; choppers (conversores DC-DC); inversores (conversores DC-AC); controle de aquecedores, iluminação (dimmers) e motores.
Essa ampla utilização deve-se a sua ação de chaveamento rápido, dimensões reduzidas e altos valores nominais de corrente e tensão. O SCR possui 3 terminais: anodo (+), catodo (-) e gatilho. Na verdade o SCR pode ser entendido como um diodo com terminal de controle.
TIRISTORES - SCR FUNCIONAMENTO DO SCR Pode-se explicar o funcionamento do SCR utilizando um modelo equivalente com transistores:
Quando o modelo transistores conduz.
está
reversamente
polarizado
(VAVC) e IB=0, a corrente que flui pelos transistores é apenas uma corrente de fuga, insuficiente para colocá-los em condução. Quando o modelo está diretamente polarizado e é fornecido um pulso de tensão no gatilho com corrente suficiente para acionar a base de Q2, este entra em condução e “puxa” corrente da base de Q1, fazendo com que este também entre em estado de condução. Ao cessar o pulso, os transistores continuam no estado de condução, pois são complementares e um “aciona” a base do outro. Este processo só termina se a corrente de base de Q2 cair abaixo da corrente mínima para manutenção da condução ou ocorrer uma polarização reversa do modelo.
TIRISTORES - SCR CURVA CARACTERÍSTICA DO SCR
VBR: tensão reversa de ruptura IR: corrente reversa IGK: corrente no gatilho IL: corrente de retenção (corrente de disparo com tensão mínima de gatilho) IH: corrente de manutenção VBO: tensão direta de disparo quando IGK=0
TIRISTORES - SCR TESTE DO SCR
Com polarização direta o gatilho é acionado e observa-se se, após a remoção do pulso no gatilho, o SCR continua conduzindo. Para testar SCRs com pequena corrente de sustentação, pode-se utilizar um multímetro digital. Utilizando o ohmímetro ligue a ponteira positiva no anodo e a negativa no catodo, polarizando o SCR diretamente. A leitura deve ser bastante alta pois não deve haver condução. Em seguida, provoque um curto entre o anodo e o gatilho para acionar o SCR. A resistência deve diminuir e se manter baixa após a remoção do curto. Se ocorrer a condução antes do acionamento da porta, anodo e catodo estão em curto. Se não ocorrer a condução após o acionamento do gatilho, o diodo estará em aberto.
TIRISTORES - SCR COMUTAÇÃO DE UM SCR
Comutar um SCR significa bloqueá-lo , ou seja, “cortar” sua corrente e impedir que ele retorne a condução. Os processos básicos para bloqueio são a comutação natural e a comutação forçada.
A comutação pode ser de dois tipos: Natural: quando a corrente do anodo é reduzida a um valor abaixo de por ação do sistema onde se encontra o SCR.
Forçada:
obtida quando usamos de um circuito auxiliar para bloquear o SCR.
TIRISTORES - SCR COMUTAÇÃO NATURAL (OU DE LINHA AC)
Se
a chave está fechada, no semi-ciclo positivo o SCR é acionado quando VGK atingir o valor mínimo para disparo. Na passagem por zero, para o semi-ciclo negativo, o SCR é bloqueado.
Quando
a chave for aberta, o SCR será desligado na primeira passagem por zero para o semi-ciclo negativo, desde que permaneça reversamente polarizado pelo tempo mínimo necessário para bloqueio.
O tempo mínimo para bloqueio determina a freqüência máxima de operação do SCR.
TIRISTORES - SCR COMUTAÇÃO FORÇADA
Algumas possibilidades para forçar o desligamento do SCR são:
Desviar a tensão de anodo por um caminho alternativo; Realizar um curto-circuito entre anodo e catodo do SCR; Aplicar uma tensão inversa sobre o SCR; Reduzir a zero, por um instante, a tensão de anodo (abrindo o circuito antes do catodo, por exemplo).
TIRISTORES - SCR COMUTAÇÃO FORÇADA – BLOQUEIO POR CHAVE
Quando SW2 é acionada, a corrente entre anodo e catodo cai a zero e o SCR é bloqueado. Em seguida a chave é aberta e a carga desligada.
TIRISTORES - SCR COMUTAÇÃO FORÇADA – BLOQUEIO POR CAPACITOR Quando SW2 está desligada, o capacitor se carrega. Ao acionarmos a chave SW2, o capacitor carregado polariza inversamente o SCR, já que é conectado ao terra da fonte. O SCR é bloqueado e o capacitor se descarrega no circuito fonte-carga. A chave SW2 pode ser um SCR auxiliar. Para assegurar a comutação, deve-se utilizar a capacitância conforme a equação:
C
tOFF 0,6963 RL
onde C é o capacitor de comutação (em µF), RL é a resistência da carga (em Ω) e tOFF é o tempo de desligamento do SCR (em µs).
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO Para a operação adequada do SCR, o circuito de acionamento deve
fornecer um sinal de disparo no tempo correto, de modo que assegure a passagem para o estado ligado.
Em geral, o circuito de disparo deve atender, basicamente, os seguintes critérios: Produzir um sinal de gatilho com amplitude e tempo de duração adequados e tempo de subida suficientemente curto; Assegurar que não ocorram disparos acidentais por “falsos” sinais ou ruídos; Em circuitos AC, aplicar o sinal de gatilho somente quando o SCR estiver diretamente polarizado
Usualmente, são adotados 3 tipos de sinais de disparo: sinais DC, sinais AC e sinais pulsados.
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL DC
Ao fechar a chave, uma corrente é aplicada no gatilho do dispositivo que está diretamente polarizado. Isso faz com que o SCR passe para o estado ligado. O resistor RG limita a corrente no gatilho e o diodo D limita a amplitude do sinal negativo no gatilho.
A aplicação de um sinal DC constante no gatilho não é recomendada pois gera dissipação de potência.
Não
se deve utilizar acionamento DC em circuitos AC pois pode ocasionar aumento demasiado de corrente inversa no SCR durante o semi-ciclo negativo, danificando o componente.
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL PULSADO
Para
reduzir a dissipação de potência no gatilho, os circuitos de disparo do SCR geram um único pulso, ou um trem de pulsos, substituindo o sinal DC contínuo.
Além disso, é fácil obter isolamento entre o circuito de controle e o SCR usando um transformador de pulso ou um acoplador óptico.
O
circuito ao lado apresenta o controle de um SCR usando um transistor de unijunção – UJT e acoplamento por transformador de pulso. Quando o capacitor estiver carregado ao nível da tensão de pico do UJT, este passa ao estado ligado por um breve intervalo de tempo, gerando um pulso no transformador.
A largura do pulso de saída pode ser aumentada com o acréscimo do valor de C, no entanto existem limitações. Em alguns casos pode não haver tempo de pulso suficiente para acionar o SCR.
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL AC
O
método mais comum para controlar SCRs em aplicações AC é derivar o sinal de disparo da própria fonte AC, sendo utilizado um controle do ponto de disparo.
No
circuito abaixo temos o controle de fase resistivo. No semiciclo positivo, o SCR está em estado de bloqueio direto até que a corrente no gatilho seja suficientemente alta para levar o tiristor a condução. O controle do ponto de disparo se dá pela tensão da rede e pelo ajuste do reostato R2.
REOSTATOS:
são dispositivos que podem variar sua forma ou suas dimensões a fim de se obter uma resistência variável. A variação pode ser contínua ou discreta, dependendo da construção.
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL AC
No circuito a seguir temos o controle de fase realizado por um circuito RC, que provoca um atraso da fase no gatilho.
O ângulo de fase do atraso no gatilho depende dos valores de R1+R2 e de C. Um aumento em R2 faz com que o atraso aumente.
No
semiciclo negativo o SCR é bloqueado na passagem por zero devido à polarização reversa.
TIRISTORES - SCR CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL AC
Em ambos os circuitos vistos, o diodo D impede que se tenha uma corrente negativa no gatilho.
No controle resistivo, o disparo pode ser ajustado para um ponto entre 0 e 90º do semiciclo positivo, pois depois de 90º a tensão começa a diminuir. No controle por circuito RC, o disparo pode ser ajustado para qualquer ponto entre 0 e 180º, já que podemos atrasar o sinal de controle em até 90º.
TIRISTORES - SCS
A chave controlada de silício (SCS) é um dispositivo com 4 camadas (PNPN) com 4 terminais. Possui menor capacidade de controle de potência que o SCR, sendo utilizado, normalmente, para acionamento. O SCS passa para o estado ligado em um pulso positivo em KG ou negativo em AG. Se o SCS estiver ligado, passará para desligado com um pulso positivo em AG ou negativo em KG.
TIRISTORES - GTO
O tiristor de desligamento por porta (Gate turn-off tyristor – GTO) é uma chave semicondutora de potência que passa para o estado ligado como um SCR normal, isto é, com um sinal positivo no terminal porta. Além disso, pode passar para o estado desligado por meio de uma corrente de porta negativa. Portanto, tanto a operação no estado ligado quanto desligado são controladas pela corrente de porta. Outra boa característica é a velocidade de chaveamento. No disparo é igual a de um SCR. No desligamento, o tempo gasto é menor. Contudo, valores nominais de tensão e corrente são inferiores aos do SCR e a perda de potência é maior devido à necessidade de corrente para o desligamento.
TIRISTORES - DIAC O diodo AC (DIAC) é uma chave semicondutora de 3 camadas e 2 terminais. Opera como dois diodos em contraposição série. A única maneira de disparar o DIAC é excedendo a tensão de disparo, podendo ser chaveado para qualquer polaridade de tensão.
TIRISTORES - TRIAC É um DIAC com terminal de gatilho. É capaz de conduzir corrente em ambas as direções e pode ser controlado por um sinal de porta positivo ou negativo. Isto o torna útil para o controle de potência AC.
O TRIAC pode ser entendido como a união de e SCRs em antiparalelo. Dessa forma, pode ser acionado nos dois semiciclo da rede AC, sendo desligado na passagem por zero.
TIRISTORES - TRIAC IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DOS TIRISTORES
TIRISTORES - TRIAC
