introdução tiristores

DIODOS DE POTÊNCIA
Renato Bruno Silva
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Resumo: Os dispositivos semicondutores de potência, também chamados interruptores
estáticos, constituem parte fundamental dos conversores de potência. Operando como chaves,
eles atuam sobre o fluxo de energia elétrica com um mínimo de perdas. Recentemente, a
tecnologia de dispositivos de potência sofreu grandes avanços. Novos tipos de interruptores
com maiores capacidades de tensão e corrente, maiores velocidades e maior facilidade de
controle foram desenvolvidos, o que não somente viabilizou o emprego de conversores em
novas aplicações como tipologias de conversores.
INTRODUÇÃO
Essa família é usada como chaves eletrônicas. Elas têm somente dois estados: aberto e
fechado. Não há região de operação ativa ou linear. Os tiristores estão saturados ou em corte.
Os tiristores possuem dois ou mais terminais externos. Como uma família, eles são
construídos para manusear correntes desde uns poucos miliamperes a centenas de amperes.
Seus principais usos são em circuitos de controle industrial e circuitos de proteção de
potência. Alguns dos nomes para esses dispositivos são diodo Shockley, SCR, Diac e Triac.
Uma outra parte da família de tiristores é usada em circuitos osciladores e de
temporização. Eles são chamados de transistores de unijunção(UJT’s) e transistores de
unijunção programáveis(PUT’s). Como os outros membros da família de tiristores, esses
dispositivos também têm quatro camadas e dois estados de operação.
TIRISTORES
A palavra tiristor vem do grego e significa “porta”, igual a abrir uma porta e permitir
que alguma coisa passe por ela.
Um tiristor é um dispositivo semicondutor que usa realimentação interna para produzir
um novo tipo de operação de chaveamento.
O circuito de chaveamento pode estar em qualquer um dos dois estados: fechado ou
aberto. Ele permanecerá indefinidamente em um dos estados. Se o circuito de chaveamento
estiver fechado, ele permanecerá fechado até que alguma coisa provoque diminuição da
corrente. Como esse tipo de operação está baseado na realimentação positiva, o circuito é
chamado trava.
(a)
(b)
(c)
Figura 1: Funcinamento de um Tiristor
Admita que a trava da figura (a) esteja aberta. Então, o circuito equivalente é uma
chave aberta como mostrado na figura (b). Como não há corrente através do resistor de carga,
a tensão de saída é igual à tensão de alimentação.
Para fechar a trava podemos utilizar um disparo. A idéia é aplicar um disparo para
polarizar diretamente o diodo base-emissor de Q2. No ato, o disparo liga momentaneamente a
corrente de base de Q2. Como o coletor de Q1 agora alimenta a corrente de Q2, o pulso de
disparo não é mais necessário. Uma vez que a realimentação positiva comece, ela irá autosustentar-se e levará os dois transistores à saturação. A mínima corrente de entrada necessária
para iniciar a operação de chaveamento é chamada corrente de disparo.
Quando saturados, os dois transistores se parecem com curto-circuitos, e a trava está
fechada. Idealmente, a trava tem zero volt de tensão através dela quando fechada.
Uma outra forma de fechar a trava é pela avalanche direta (breakover). Isso significa o
uso de uma grande tensão de alimentação Vcc que leva à região de ruptura do diodo coletor
de cada transistor. Uma vez que a ruptura comece, surge uma corrente no coletor de um dos
transistores que aciona a base do outro. O efeito é como se a base tivesse recebido um disparo.
Embora a avalanche direta comece com a ruptura de um dos diodos coletor, ela termina com
os dois transistores no estado saturado. Por isso usa-se o termo avalanche direta em vez de
ruptura para descrever esse tipo de fechamento da trava.
Para abrir a trava, uma forma é reduzir a corrente de carga para zero. Isso força o
transistor a sair da saturação e retornar à condição de aberto. Por exemplo, podemos ou abrir o
circuito ou reduzir a tensão de alimentação Vcc para zero. Nos dois casos, uma trava fechada
será forçada abrir. Chamamos esse tipo de abertura de desligamento por baixa corrente.
Uma outra forma de abrir é aplicar um disparo com polaridade reversa gerando uma
realimentação positiva que leva os dois transistores ao corte, o que abre a trava.
DIODO SHOCKLEY
Figura 2: Funcionamento do Shockley
É um tipo de tiristor e é chamado de diodo porque tem apenas dois terminais externos.
Por não haver entrada alguma de disparo, a única forma de fechar um diodo de quatro
camadas é por meio de avalanche direta, e a única forma de abri-lo é por meio de
desligamento por baixa corrente. Com um Shockley não é necessário reduzir a corrente a zero
para abrir a trava.
Os transistores internos do diodo sairão da saturação quando a corrente for reduzida a
um valor baixo chamado de manutenção.
Após um diodo Shockley chegar à avalanche direta, a tensão através dele cai a um
valor baixo, dependendo do valor da corrente.
Para abrir o diodo de quatro camadas, temos de reduzir a corrente a um valor abaixo
da corrente de manutenção.
DIAC
O DIAC é um diodo Shockley projetado para corrente alternada.
O DIAC pode ter corrente de travamento em qualquer das duas direções. O circuito
equivalente de um DIAC é um par de Shockley em paralelo.
Figura 3: Símbolo do DIAC
Uma vez que o DIAC está conduzindo, a única forma de abri-lo é por meio de um
desligamento por baixa corrente. Isso significa que a corrente tem que ser reduzida abaixo da
corrente de manutenção.
O DIAC não conduz até que a tensão através dele tente exceder a tensão de avalanche
direta em qualquer sentido.
SCR – RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO
Algumas das áreas mais comuns de aplicação para os SCR’s são as de controle de
relés, circuitos de retardo de tempo, fontes de potencia reguladas, chaves estáticas, controles
de motor, choppers, inversores, cicloconversores, carregadores de bateria, circuitos de
proteção, controle de aquecedores e controles de fase.
O SCR é um retificador constituído de material de silício com um terceiro terminal
para controle chamado gate.
Figura 4: Símbolo do SCR
Seu funcionamento consiste em uma injeção de sinal no gate. Quando isto ocorre o
SCR começa a conduzir e se equivale a um circuito fechado.
Os SCR’s não são construídos para operar com avalanche direta. A maioria dos SCR’s
são projetados para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente.
Em outras palavras, um SCR permanece aberto até que um disparo acione a sua porta
(gate). Então, o SCR trava e permanece fechado, mesmo que o disparo desapareça. A única
forma de abrir um SCR é por meio de um desligamento por baixa corrente.
Alguns poucos SCR’s podem ser desligados aplicando-se um pulso negativo ao gate,
sendo este método chamado de técnica de comutação forçada.
TRIAC
Funciona como dois SCR’s em paralelo. Por isso o TRIAC pode controlar a corrente
em qualquer sentido.
A tensão de avalanche direta é geralmente alta, de maneira que a forma normal de
ligar um TRIAC é aplicando-se um disparo com polarização direta. As folhas de dados
fornecem a tensão de disparo e a corrente de disparo necessárias para ligar um TRIAC.
Figura 5: Símbolo do TRIAC
O processo de bloqueio de um TRIAC é similar ao o SCR. Embora com sensibilidade
diferentes, o TRIAC pode ser disparado tanto com correntes positivas quanto negativas no
gate, mas sempre em relação a T1.
Como o TRIAC pode conduzir em ambas as direções, em aplicações CA ele somente
dispõe de um breve intervalo de tempo para recuperar sua condição de bloqueio na passagem
por zero da forma de onda senoidal da corrente, o que limita seu emprego confiável em
freqüência de até 60 Hz.
DIMMER
Um Dimmer tem como objetivo controlar a transferência de potência para a carga,
chaveando a senóide da linha de transmissão.
As principais aplicações do Dimmer incluem controle de iluminação, aquecimento
industrial, resistência para solda elétrica, compensação estática e controle de velocidade para
motores de indução.
Um circuito que executa esta operação, pode ser visto na figura abaixo.
Figura 6: DIMMER
Os componentes para montagem do circuito são:
TRIAC - TIC 216B ou TIC 226B (para a rede de 110V a 200V ) ou TIC 226D
(para a rede de 220V); os substitutos para esses TRIACs são: BTA08 e
BTA12.
DIAC - qualquer tipo (exemplos: 1N5411 e 40583).
Resistores: R2= 10k ohm x 1W; R1= 100k ohm (potenciômetro).
Capacitor: C= 220 nF (poliéster).
A comutação rápida de SCRs e TRIACs em aparelhos eletrônicos causa interferências
em rádios e TVs. Essa interferência se propaga pela rede elétrica e pode causar sérios
dissabores. Isso pode ser minimizado com a inserção de um filtro adequado. Este tipo de filtro
pode ser visto na figura abaixo.
Figura 7: Filtro contra Interferência
Nesse circuito R1, R2 e C deslocam o ângulo de fase do sinal na porta. Devido a esse
deslocamento de fase, a tensão na porta atrasa a tensão da rede por um ângulo ente 0º e 90º.
Quando a tensão no capacitor é grande o suficiente para alimentar a corrente de
disparo, o TRIAC conduz. Uma vez ligado, o TRIAC continua conduzindo até que a tensão
da rede retorne a zero.
Como R1 é variável, o ângulo de fase da tensão do capacitor pode ser alterado. Isso
nos permite controlar a tensão da carga.
Figura 8: Potência na carga em relação ao disparo do TRIAC