SCR - CTA Eletrônica

APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
AULA SCR - UJT - CRISTAL QUARTZ
6
SCR - polarização e características
SCR - trabalhando em DC e AC (meia onda e
completa) - acionamento trifásico
UJT: polarização - caracteristicas e aplicações
Cristal a quartz: características e aplicações
O SCR - SILICON CONTROLLER RECTIFIER
O SCR (Silicon Controller Rectifier) é um
semicondutor que como o próprio nome diz é
formado a partir do silício. Seu funcionamento é
semelhante a um diodo retificador comum, e por
isso ele conduz apenas num sentido de corrente,
sendo a grande diferença, um terceiro terminal que
irá disparar este estado de polarização para o
“diodo”; seu aspecto físico é parecido com um
transistor, pois também possui 3 terminais: o anodo
(A) e catodo (K) como um diodo comum e mais o
terceiro terminal que será o gate (G), que
traduzindo chama-se “porta”, que irá liberar ou não
o disparo do SCR. Seu aspecto físico pode ser visto
na figura 1a, e seu símbolo é mostrado na figura 1b.
figura 1a
A
A
TIC
106
A
G
K
A G
ELETRÔNICA
G
G
figura 1b
Na figura 1c, podemos ver vários tipos de
encapsulamento do SCR e na figura 1d, seu
aspecto para maiores correntes.
O SCR é fabricado a partir de 4 “cristais”
semicondutores de silício dopados de modo a
produzirem 3 junções PN, como mostra a figura 2a.
figura 1c
A
G
K
K
figura 1d
Estas junções PNPN,
formam basicamente dois
transistores, sendo o
primeiro PNP e o segundo
NPN, numa configuração
“série” de auto polarização
como mostra a figura 2b.
Esta configuração permite
que uma vez DISPARADO o conjunto, através de
uma tensão ou pulso no gate (acima de 0,6V) em
relação ao catodo, o SCR permanecerá polarizado
como um diodo entre anodo (A) e catodo (K),
mesmo que a tensão (ou pulso) no gate
desapareça.
figura 2b
figura 2a
K
K
Podemos resumir o funcionamento do SCR,
quando polarizado diretamente (anodo positivo em
relação ao catodo) como uma chave aberta,
enquanto a tensão do gate-catodo permanecer
abaixo de 0,5V, como mostra a figura 3a.
Nela, o SCR está representado por 2 transistores,
sendo que externamente foram acrescentados dois
resistores: o 1° ligado à uma fonte de tensão e o 2°
ligado do gate ao catodo, que estará aterrado; o
SCR permanecerá sem ser disparado, ou como
uma chave aberta entre anodo e catodo, apesar do
anodo apresentar uma tensão mais positiva que o
catodo.
Se elevarmos a tensão no gate em forma de um
pulso acima de 0,6V em relação ao catodo, fará
com que o “transistor NPN” seja polarizado, indo à
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 57
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
figura 3a
figura 3b
A
A
+12V
+12V
11,4V
0V
0V
0,6V
G
G
K
K
saturação e ao mesmo tempo, polarize o “transistor
PNP”, fazendo-o também saturar. Considerando
agora o “transistor PNP” saturado, a base do
“transistor NPN” permanecerá polarizada
independente de tensão externa no gate; mesmo
que o pulso que disparou o gate não exista mais, o
SCR se comportará como um diodo mantendo uma
tensão de aproximadamente 0,6V entre anodo e
catodo, como mostra a figura 3b. Nela, temos a
representação do SCR pelos transistores que
agora são chaves fechadas. O SCR permanecerá
“gatilhado”, funcionando como um diodo retificador
comum, enquanto existir tensão no seu anodo e
corrente circulando entre anodo e catodo.
Para “cortar” o SCR depois que ele foi “disparado”
por um pulso no gate, devemos tirar a tensão de
polarização do anodo, ou torna-la mais baixa que a
tensão de catodo; sendo assim, o SCR voltará a
condição inicial de chave aberta. A rede elétrica,
com sua inversão de polaridade é o meio ideal para
trabalhar com o SCR, pois permite o corte do
componente em todo semiciclo negativo, como
veremos adiante.
Para exemplificar um circuito com SCR, temos a
figura 4, que mostra um circuito de monitoramento
para sobretensão.
figura 4
MÓDULO - 3
0,5V enquanto a fonte estiver com tensão de até 5V.
Se a tensão da fonte tiver algum pico de tensão e
sua tensão ultrapassar 5V a tensão do gate do SCR
ultrapassará também os 0,5V disparando o SCR,
que irá polarizar o LED ligado ao seu anodo para o
terra, fazendo o mesmo acender e mantendo uma
corrente sobre o SCR. Mesmo que a tensão da
fonte volte aos seus 5V normais o SCR
permanecerá polarizado pela corrente do LED, que
ficará aceso indicando que houve um pico de sobre
tensão na fonte.
Para haver o apagamento do LED indicador de
sobretensão, devemos desligar o equipamento,
para que a tensão de anodo do SCR, fique igual à
tensão de catodo, cortando-o.
Identificação dos terminais gate-catodo
Um teste rudimentar para encontrar a junção gatecatodo do SCR, pode ser vista na figura 5. A
identificação do terminal, pode ser feita com um
ohmímetro. Como a conexão interna entre gate e
catodo é uma junção PN simples, um multímetro
poderá indicar a continuidade entre esses terminais
com a ponta de prova vermelha no gate e ponta de
prova preta no catodo.
figura 5
A
R3
1kW
BC
558
Led1
BC
548
A
Ensaio para teste de SCR
G
Entrada
R2
de tensão 1,5kW
variável
0,4V
0V
SCR1
K
G
R1
150W
K
O led permanece apagado enquanto a tensão esiver até 5V.
Quando a tensão ultrapassar os 5V
o led acenderá e permanecerá
aceso mesmo que a tensão retorne
aos 4 ou 5V, indicando que houve
um pico de sobre-tensão.
Este é um circuito auxiliar que pode ficar ligado a
qualquer fonte de tensão; sua função é indicar se
por algum motivo a tensão da fonte subiu acima do
projetado, podendo causar algum dano ao
aparelho. O gate do SCR está ligado a um divisor
resistivo que o manterá com uma tensão abaixo de
As medições de continuidade para os outros
terminais do SCR, anodo para gate e anodo para
catodo, serão mostradas como se estes estivessem
abertas. A utilização da escala ôhmica deve ser
entendida como um teste bruto e apenas para a
verificação do terminal do gate-catodo, não
devendo ser aplicada aos componentes ligados ao
circuito.
Apesar disto, ainda com o componente fora do
circuito há formas de verificação de seu
funcionamento, como mostra a figura 6.
Nela, podemos ver que a chave ligada ao anodo, é
do tipo normalmente fechada, enquanto que a
58 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
ligada ao gate é do tipo normalmente aberta.
esse resistor servirá como um ajuste de
sensibilidade do componente, pois quanto menor o
valor do resistor, mas tensão (ou corrente) será
necessária para disparar o SCR.
Alguns SCR´s saem de fábrica com o valor muito
alto deste resistor de sensibilidade, deixando para o
projetista colocar o valor conforme a necessidade.
Caso o projetista não saiba deste detalhe, acabará
havendo o disparo do SCR por ruídos
eletromagnéticos, que podem ser derivados de
rede elétrica, abertura de interruptores ou por
faiscamentos provocados pelo acionamento de
motores de pequeno ou grande porte.
O TIC106 é um SCR de altíssima sensibilidade;
devido a isso, devemos colocar um resistor que
reduza a sensibilidade deste componente.
Na tabela 1 abaixo, podemos ver algumas
características do TIC106:
- Repetitive peak off-state voltage: máxima tensão
de pico desligado = 400 à 800V (veja a letra no
final).
- Repetitive peak reverse voltage: máxima tensão
de pico reversa = 400 à 800V (veja a letra no final).
- Continuous on-state current at (or below) 80ºC
case temperature: corrente constante na
temperatura de até 80ºC = 5A
- Average on-state current (180º conduction angle)
at (or below) 80ºC case temperature: Média de
corrente com ângulo de condução de 180º - meio
ciclo = 3,2A
figura 6
Podemos dizer que da forma apresentada o SCR
está cortado, pois mesmo apresentando potencial
positivo no anodo, proveniente do resistor ele não
será disparado, pois o gate não recebe polarização.
Quando pressionarmos a chave ON, ligada ao gate,
permitimos polarizar o terminal com um potencial
positivo, que produzirá o gatilhamento do SCR,
levando seu anodo a um potencial de 0,6V acima do
catodo. Com isso, praticamente toda a tensão da
fonte acaba ficando sobre o resistor. Veja que para
o disparo, foi necessário somente um pequeno
toque na chave ON.
SENSIBILIDADE DO SCR
Anteriormente havíamos falado sobre o resistor que
fica entre o gate e o catodo do SCR. Na verdade,
TABELA 1
TABELA 2
Na tabela 2, podemos ver outras
características do mesmo SCR
TIC106D:
- Repetitive peak off-state current:
corrente de pico desligado = 400 uA
(0,4mA)
- Repetitive peak reverse current:
corrente de pico com polarização
reversa = 1mA
- IGT Gate trigger current: corrente
para gatilhamento do gate = 5 (típico)
200 uA (máximo)
- VGT Gate trigger voltage: tensão de
gatilhamento do gate = 0,4 à 1V; 0,6V
(típico)
Na figura 7, podemos ver uma
situação de teste do SCR para o caso
de acionamento de motores. Neste
caso, a incidência de ruídos e tensões
reversas é muito maior, pois dentro do
motor, a ligação da tensão externa
para o rotor é feita por “escovas” de
ferrite, que no processo de liga e
desliga muito rápido, gera irradiações
de interferências de alta intensidade.
O funcionamento é igual ao circuito
anterior, quando a chave “off” está na
ELETRÔNICA
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 59
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
figura 7
SCR
sob teste
posição normalmente fechada, há tensão positiva
no anodo, mas o SCR estará inoperante devido à
falta de pulso de disparo no gate. Quando o SCR for
de alta sensibilidade, e dependendo do local onde
está sendo feito o teste, poderá disparar o motor,
sem que tenha sido pressionada a chave “on”
normalmente desligada.
Nos testes de sensibilidade, sem o acionamento do
SCR, como mostra a figura 7, devemos provocar
uma série de situações de interferência, sendo que
uma das melhores é acionar um equipamento que
possui motor de escovas, como um liquidificador,
furadeira, batedeira, etc. Devemos aproximar o
mais possível este equipamento do SCR em teste,
para saber se ele não acionará a carga sem o
acionamento da chave “ON”. Caso ocorra o
acionamento, deve-se colocar um resistor entre
gate e catodo, até que a interferência não incida
mais sobre o circuito.
Após acionado, o SCR manter-se-a nesta
condição, até que o anodo seja polarizado com
uma tensão igual ou abaixo do catodo ou que a
corrente anodo-catodo caia abaixo de 1mA. Veja
que a maioria dos SCR´s manter-se-ão
polarizados desde que a corrente entre anodo e
catodo mantenha-se entre 1 até 50mA.
CIRCUITO DE PROTEÇÃO E DESARME
A figura 8, mostra a configuração de um SCR sendo
utilizado na saída de uma fonte de alimentação,
ficando ele em paralelo com a carga. Note que há
um fusível entre a tensão da fonte e o SCR em
MÓDULO - 3
paralelo com a carga.
O objetivo do circuito é em caso de sobretensão
(tensão acima do previsto), que pode ser
ocasionada por uma elevação momentânea da
rede elétrica, acionar o gate do SCR e com ele
entrando em polarização, aumentar drasticamente
a corrente do circuito até a interrupção do fusível.
Nestes casos, será necessária a intervenção de
técnicos que deverão trocar o fusível, pois mesmo
que ele seja acessível ao usuário, o valor do fusível
terá grande importância no circuito.
Podemos analisar o funcionamento do circuito,
partindo de uma tensão DC retificada e filtrada de
+150V, logo após os filtros. Vemos que existe uma
malha divisora de tensão que possui um resistor de
100k e outro de 8,2k, resultando em uma tensão de
11,4V entre os resistores. Vemos que existe um
zener de 12V, ligado com seu catodo ao divisor e o
anodo ao gate do SCR, que ainda possui um
resistor de sensibilidade entre o gate e o catodo.
Podemos afirmar que enquanto a tensão de
entrada for inferior à +165V, o SCR manter-se-a
cortado. Mas quando a tensão da rede apresentar
uma variação acima de +165V, o SCR será
disparado e o fusível aberto, inibindo a polarização
para a carga.
Este circuito é melhor empregado nas modernas
fontes chaveadas, onde uma corrente maior,
desarma a fonte sem que para isso seja necessário
queimas de fusíveis. Assim, o mesmo circuito com
SCR, seria utilizado e quando a tensão da fonte
subisse por algum motivo, o SCR seria disparado,
levando a tensão de saída à 0,6V e com isso
aumentando em muito o consumo, desarmando a
fonte chaveada. Para reiniciar o circuito, será
necessário desligar a fonte da rede elétrica,
voltando o SCR ao corte.
Desta forma, podemos dizer que a utilização do
SCR na configuração de proteção contra sobretensões, com transformadores de rede ou com
retificações diretamente na rede, será mais comum
em máquinas industriais. Em circuitos de menor
custo, o SCR para proteção de sobretensão, será
utilizado em conjunto com fonte chaveadas, para
que não haja a interrupção de fusíveis.
figura 8
circuito de gatilhamento
foi omitido para simplificar
o circuito elétrico
60 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
UTILIZAÇÃO DO SCR EM FONTES DE CORRENTE ALTERNADA
Apesar de termos até agora tratado do SCR em
corrente contínua, suas maiores aplicações são em
corrente alternada, principalmente ligado á rede
elétrica, como mostra a figura 9.
figura 9
(Carga)
Na figura 11, podemos ver como o dimmer mais
básico funciona. Quando começa o semiciclo
positivo da rede, o anodo do SCR recebe também a
tensão mais positiva; mas, como o capacitor
colocado entre gate e catodo, está começando sua
carga, é como se fosse um curto, não permitindo
que o SCR seja gatilhado. Após um determinado
tempo, quando o semiciclo positivo da rede vai
chegando ao meio, a tensão sobre o capacitor
figura 11
Nela vemos que uma determinada carga fica em
série com o SCR, sendo necessário que o SCR,
além de possuir um potencial mais alto no anodo em
relação ao catodo, ainda necessitará de um pulso
positivo no gate. A figura 10 mostra que, à partir do
momento que a rede elétrica vai colocando o anodo
do SCR mais positivo que o catodo, é gerado um
pulso positivo no gate, via diodo, e com isso o SCR é
quase imediatamente disparado, levando os
semiciclos positivos da rede para a carga.
figura 10
(corrente carga)
chega a 1,2V, tensão suficiente para o gatilho do
SCR, levando seu anodo ao potencial negativo e
com isso colocando a tensão sobre a carga, como
mostra a forma de onda. Veja que durante um
tempo, a onda permanece no eixo zero, e após o
gatilho, vai para praticamente a tensão da rede, que
permanece assim, até que o semiciclo positivo
termine, o que também causa o corte do SCR
(tensão no anodo mais baixa que no catodo).
Podemos alterar a quantidade de energia levada à
carga, controlando o tempo em que o SCR é
gatilhado, como mostra a figura 12. Se diminuirmos
o valor do potenciômetro que está em série com o
figura 12
(tensão da rede AC)
Podemos observar que a cada
início do ciclo positivo, há uma pequena demora
para que a tensão apareça sobre a carga. Esta é a
somatória da tensão necessária para o gate, mais a
tensão de queda no diodo de polarização. Além
disso, note que a figura apresenta uma tensão um
pouco menor sobre a carga, em relação a senoide
que está ocorrendo na rede elétrica, isto se deve à
pequeníssima diferença de 0,6V que cai sobre o
anodo e catodo do SCR.
Uma outra observação quanto à figura é que para a
carga, somente estão indo os semiciclos positivos
do sinal, sendo bloqueados os semiciclos
negativos. Mas, o aluno deve estar se perguntando:
Mas para que um SCR se um diodo comum levaria
também somente pulsos positivos para a carga? a
resposta é que poderemos controlar o ponto em que
o SCR é disparado no semiciclo positivo e assim,
controlar a quantidade de energia disponível para a
carga, criando o que se chama no mercado de
“dimmer” ou controlador de potência entregue à
carga.
ELETRÔNICA
limiar da tensão
de gatilho
capacitor de carga, iremos carregar o capacitor
mais rápido e com isso gatilhar também mais rápido
o SCR, que colocará um pouco mais do semiciclo
positivo sobre a carga. Se a carga for uma lâmpada,
acenderá um pouco mais.
Já na figura 13, aumentamos o valor do
potenciômetro de ajuste do tempo de carga do
capacitor, e agora, levará mais tempo para que o
SCR seja gatilhado e com isso, haverá menor
porção do semiciclo positivo sendo entregue à
carga.
A figura 14, mostra a comparação entre a senoide
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 61
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
figura 13
MÓDULO - 3
figura 16a
SCR1
figura 14
rede começa a subir (em tracejado) a tensão sobre
a carga (linha cheia) é de zero volt. Um pouco antes
do pico positivo, acontece um pulso de disparo no
gate do SCR1, fazendo com que ele passe a ser um
curto (fica uma tensão de 0,6V entre anodo e
catodo), e com isso a tensão sobe
instantaneamente para quase 130V. Notem que
mesmo que o pulso de acionamento do gate
termine, como mostra a figura, o SCR1 ainda
continuará em polarização até que a tensão de
anodo caia para zero volt.
Quando começa o semiciclo negativo, que
corresponde a inversão da polaridade de tensão da
senoide da rede
(tensão sobre o capacitor)
figura 15
UTILIZANDO SCR´S CONFIGURADOS PARA OS
DOIS SEMICICLOS DA REDE
Podemos utilizar dois SCR´s para acionar um
controle de potência para a carga utilizando os dois
semiciclos da rede elétrica, como mostra a figura
16a. Quando houver o semiciclo de tensão positiva,
o SCR1 será gatilhado permitindo a circulação de
corrente pela carga (esquerda para a direita).
Quando houver a inversão da polaridade da rede, o
SCR2 será gatilhado, permitindo assim a circulação
de corrente em sentido inverso ao anterior (da
direita para a esquerda).
Considerando agora, a forma de onda da figura 16b,
podemos dizer que quando o semiciclo positivo da
figura 16b
tensão levada
à carga
nível de disparo
para o SCR1
da rede elétrica e o atraso que
ocorrerá com a carga do capacitor de tempo.
Inibindo completamente ruídos aleatórios: a
figura 15, mostra uma configuração em que o gate
do SCR poderá ser gatilhado a partir de um pulso
induzido em um secundário de um pequeno
transformador. O secundário do transformador terá
uma resistência ôhmica muito baixa, impedindo
assim, que qualquer ruído ou interferência, mesmo
muito intensa, possa gatilhar aleatoriamente o
SCR.
SCR2
nível de disparo
para o SCR2
pulsos de disparo para o gate do SCR1
pulsos de disparo para o gate do SCR2
rede elétrica, começa a subir a tensão no anodo do
SCR2, sendo que ele mantem-se cortado, gerando
zero volt sobre a carga. Quando dizemos que a
tensão começa a subir no anodo e a forma de onda
apresenta um tracejado que cai de amplitude,
entenderemos que o eixo zero será a referência de
tensão, sendo que tudo que for acima do eixo, será
aumento de tensão, e o que for abaixo do eixo,
também será aumento de tensão, somente com
INVERSÃO DA POLARIDADE.
Assim, com o aumento da tensão do semiciclo
negativo, antes de chegar ao pico máximo negativo,
haverá o disparo do SCR2, com um pulso em seu
gate, fazendo-o uma chave fechada e com isso
levando a tensão da rede à carga. Mesmo com a
parada do pulso do gate, o SCR2 continuará
polarizado até que a tensão da
rede volte a ser zero volt. Logo, figura 17
teremos um controle de
potência ou tensão para a
carga nos dois semiciclos da
rede.
O TRIAC, mostrado na figura
17, com sua forma física e seu
símbolo, nada mais é do que
dois SCR´s no mesmo
62 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
invólucro, sendo excitado por uma única porta, que
gatilhará os dois SCR´s internos. No módulo 7 e 8
da CTA eletrônica falaremos mais sobre este
componente.
mesmo circuito, mas agora com atraso nos pulsos
de disparo dos SCR´s. Neste caso, a senoide será
disparada após determinado tempo, entregando
pouco menos de 1/3 de energia para a carga. O
controle do disparo dos SCR´s ou TRIAC´s é muito
utilizado no dimmer para chuveiros, onde à partir de
um potenciômetro podemos controlar a
temperatura da água.
figura 18c
UTILIZAÇÃO DO SCR EM RETIFICAÇÃO EM
ONDA COMPLETA
Uma outra forma de utilização do SCR é retificar a
tensão de rede, controlando o nível da tensão que
vai para a carga. Na figura 18, podemos ver uma
retificação em onda completa, onde a carga
receberá uma corrente contínua variável podendo
alterar o tempo de disparo dos SCR´s.
figura 18
senoide da rede
tensão levada
à carga pelo
SCR 4 e SCR2
atraso
tensão levada
à carga pelo
SCR 3 e SCR1
atraso
pulsos de disparo para o gate do SCR4 e SCR2
atraso
atraso
pulsos de disparo para o gate do SCR3 e SCR1
Vamos acompanhar o funcionamento da figura 18
através das formas de onda da figura 18b. Quando
a rede elétrica estiver no semiciclo positivo, todos
os quatro SCR´s estarão cortados, mas SCR2 e
SCR4 estarão polarizados diretamente, mas ainda
não gatilhados. Quando surgir os pulsos de
disparos nos gates do SCR2 e SCR4, estes serão
polarizados, levando tensão á carga, cuja energia
sobre a carga pode ser visto como cinzas. Quando a
tensão da rede se inverte, o SCR2 e SCR4 cortam,
começando novo semiciclo. Novamente todos os
SCR´s estarão cortados, mas o SCR1 e SCR3,
estarão com seus anodos recebendo potencial
positivo. Quando chegam pulsos de acionamento
para estes SCR´s eles são polarizados levando
tensão à carga. Podemos ver que a indicação da
tensão sobre a carga, para o semiciclo positivo ou
negativo é sempre no mesmo sentido, indicando
que temos uma corrente contínua variável.
figura 18b
tensão levada
tensão levada
senoide da rede
à carga pelo
SCR 4 e SCR2
à carga pelo
SCR 3 e SCR1
O modo de disparo destes SCR´s mostrados nas
figuras anteriores, pode ser visto na figura 19 e 20.
Na figura 19, temos o acionamento dos gates dos
SCR2 e SCR4, sendo o ponto comum do circuito de
gatilhamento o lado positivo da carga. Neste caso, o
circuito não funcionaria, pois considerando que
temos um determinado pulso positivo do catodo
para o gate do SCR4, o catodo do SCR2 será
lançado em um potencial bem negativo, tendo o
gate que ser de somente 0,6V acima do catodo.
Assim, fica muito complicado excitar os dois SCR´s
simultaneamente.
figura 19
Uma das melhores formas encontradas de
acionamento de circuitos desse tipo é utilizar
pequenos transformadores de pulsos, onde nos
primários, temos um enrolamento que vai ligado ao
gerador dos pulsos de gatilhamento e os
secundários, são independentes e isolados entre sí,
para poder acompanhar as variações da tensão do
pulsos de disparo para o gate do SCR4 e SCR2
pulsos de disparo para o gate do SCR3 e SCR1
Na figura 18c, temos outras formas de onda para o
ELETRÔNICA
figura 20
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 63
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
catodo, visto que os pulsos para os gates, sempre
terão relação com o catodo.
Apesar de na figura os transformadores serem
independentes, poderemos usar um único primário
e quatro enrolamentos independentes para acionar
os 4 SCR´s da malha, como mostra a figura 20b.
Nela temos um circuito eletrônico formado por 3
transistores, que trabalham na formação e no
atraso dos pulsos de gatilhamento.
A rede elétrica, além de ir á ponte de SCR´s,
também vai a outra ponte de diodos retificadores de
pequena corrente, que criarão a forma de onda
mostrada, que são semiciclos positivos. À partir de
R1, vamos filtrar estes semiciclos em C1, formando
uma tensão de 12V estabilizada por ZD1, que
polarizará todo o circuito.
Através de R2, as variações dos semiciclos
positivos, formarão uma variação parecida com a
dente-de-serra, que chega até a base do transistor
Q2. Temos o transistor Q3, que recebe uma tensão
fixa na base, mas que através de um ajuste manual,
esta tensão pode ser aumentada ou diminuída. À
partir da tensão da base, será definida a tensão de
emissor e caso a tensão de base esteja baixa, o
transistor Q3 estará saturado, ou seja, a tensão de
coletor será a mesma do emissor. Com a variação
da tensão de base de Q2 para nível positivo,
chegará um instante em que a tensão de base
conseguirá ser maior do que a tensão de base de
Q3, levando este ao corte, elevando a tensão de
coletor para 12V e com isso produzirá a excitação
para a base do transitor Q1, que saturará muito
rapidamente.
Podemos notar que o transformador TR1,
apresenta um pequeno círculo preto, do lado de
cima do transformador, que representará a fase de
indução deste transformador. Quando o transistor
Q1 satura momentaneamente, o lado de baixo do
primário é levado à massa, significando que o ponto
onde está o círculo, fica com potencial positivo. No
secundário, onde estão posicionados os círculos
pretos, terão a criação de uma potencial positivo e
com isso permitirão o gatilhamento dos quatro
SCR´s. Apesar disto, e de acordo com o semiciclo
da rede, somente dois SCR´s estarão em condições
de polarização, pois os anodos estarão positivos
em relação ao catodo. Assim, o SCR3, que em
determinado instante, recebe polarização positiva
em seu anodo, bem como o SCR1, que recebe
polarização negativa em seu catodo, criarão
condições para circulação de corrente pela carga.
Assim, quando surgir o pulso de disparo, que incide
sobre os 4 SCR´s, somente os dois anteriores serão
gatilhados.
Quando a tensão de rede inverter, o anodo de SCR4
receberá potencial positivo no anodo, enquanto o
SCR2 receberá potencial negativo em seu catodo,
levando corrente à carga.
A corrente que circulará pela carga, terá sempre o
mesmo sentido, apesar de não ser uma contínua
pura (filtrada ou constante), mas variável de acordo
com os semiciclos retificados da rede elétrica.
SCR EM REDE TRIFÁSICA
Poderemos ainda utilizar os SCR´s em tensões de
rede trifásicas, ou seja, com 3 fases para gerar uma
alimentação para a carga mais constante e com
maior poder de corrente. Na figura 21
apresentamos a rede trifásica (3-phase source),
que terá 220Vac em cada fase em relação a um
neutro. Na rede normal bifásica, quando fazemos
figura 20b
REDE ELÉTRICA
D4
D1
D2
D3
SCR3
TR1
atraso
R1
atraso
atraso
atraso
ZD1
C1
SCR2
+
-
R4
R2
R6
Q3
Q1
C2
SCR1
Q1
Q2
R3
P1
C3
R5
R7
SCR4
64 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
figura 22: Esta figura apresenta uma rede trifásica
sendo retificada com 6 diodos comuns, gerando
um menor ripple para a carga.
figura 23: Esta figura apresenta uma rede trifásica
sendo retificada com 6 SCR´s, que através dos
pulsos de controle poderão controlar a enrgia
entregue à carga.
uma retificação em onda completa, a tensão de
cada um dos semiciclos chega a zerar a tensão, o
que dá a eles um defasamento de 180º; somente
após isso novo ciclo começa. Nas redes trifásicas,
as três fases da rede trifásica
zero grau (0º)
120 graus
240 graus
a retificação da rede trifásica
ELETRÔNICA
cada fase possui um defasamento de 120º, ou seja,
antes de uma das fases zerar, outra fase já
apresentará pouco mais de 50% de sua tensão.
Isto é altamente vantajoso se considerarmos um
motor que deve ser alimentado pela
rede
elétrica AC, onde na rede comum,
figura 23a
há a interrupção da alimentação para
que outra fase comece, ou se ligado à
rede elétrica trifásica, onde não há
uma interrupção nesta alimentação.
Isto diminui a corrente geral
consumida.
Na figura 23a, podemos ver que a rede
trifásica também pode ser retificada,
usando-se 6 diodos retificadores,
resultando em uma tensão DC
variável, mas com um ripple inferior a
50% da tensão total de pico e sem
capacitores de filtro.
Já na figura 23b, podemos ver uma
rede trifásica utilizando retificação em
onda completa com SCR´s e estes
podendo ser disparado em um
determinado tempo. Na figura 23c,
podemos ver como ficaria a energia
figura 23b aproveitada, como os SCR´s sendo
disparados em um determinado
tempo. Os SCR´s utilizados na rede
ripple trifásica, podem gerar um controle de
tensão e corrente para uma carga do
tipo motor trifásico, com partidas muito
mais suaves destes motores que
figura 23c chegam a consumir 6 vezes mais
corrente na partida. Estes dispositivos
são chamados de SOFT-STARTers e
serão vistos em detalhes no módulo 7
do Curso da CTA Eletrônica. Por
enquanto, o aluno poderá pesquisar
sobre o assunto na internet, digitando
nos buscadores a palavra “soft-start”.
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 65
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
UJT -TRANSISTOR UNIJUNÇÃO
No começo da apostila estudamos o transistor
bipolar de junção (TBJ) ou simplesmente transistor,
que tinha suas características próprias como de
funcionar como amplificador de corrente ou como
uma chave eletrônica. Verificamos também seu
funcionamento em diversos circuitos e aplicações
diferentes.
Vamos agora estudar outro tipo de transistor, que
funciona completamente diferente do transistor
bipolar e tem sua aplicação principal na área de
controle de equipamentos ou motores.
Seu simbolo pode ser visto na figura 24b e seu
aspecto físico é mostrado na figura 24a, que é igual
aos transistores bipolar.
tensão de emissor não ultrapassar a tensão do
meio das bases (catodo do diodo), não haverá
corrente entre emissor e as bases. Já, entre base 1
e base 2, existirá uma resistência intrínseca ao
material semicondutor representada pela soma de
Rb1 com Rb2 (que são fixas) e RV que depende da
corrente emissor-base1; portanto mesmo sem
corrente emissor-base haverá condução de uma
pequena corrente entre Base1 e Base 2. Para
melhor visualizar o que estamos falando vamos
avaliar o circuito da figura 26.
figura 27
figura 26
+12V
+12V
R2
B2
R1
R2
R1
EMISSOR
BASE 2
T1
E
E
B2
T1
B1
E
BASE 1
E
B1
C1
B2
B1
C1
R3
R3
B2
B1
figura 24a
figura 24b
Podemos ver pelo símbolo da figura 24b que o
transistor unijunção é realmente como o nome diz,
uma única junção, pois ele possui apenas base e
emissor, apesar de possuir 3 terminais. Sua
constituição interna pode ser vista na figura 25a,
onde podemos ver que o UJT tem apenas dois
blocos semicondutores: o primeiro é um cristal
dopado com polaridade N, de onde tiraremos a
Base 1 e Base 2; o segundo, um cristal de menor
dimensão dopado com polaridade P, incrustado no
primeiro cristal, formando a junção emissor-base
(igual a um transistor comum).
Para entendermos melhor o funcionamento deste
transistor vamos substitui-lo por um modelo
baseado em resistores e diodo, como mostra a
figura 25b.
figura 25b
figura 25a
B1
Este circuito é um oscilador, que tem como base de
tempo a carga e descarga de C1. Para explicar seu
funcionamento vamos substituir T1 (UJT) pelo seu
modelo baseado em resistores e diodo da figura 27.
Inicialmente, quando ligamos o circuito com tensão
de 12Vdc, o capacitor está descarregado e portanto
comportar-se-á como um “curto”, mantendo
(inicialmente) 0 volt sobre ele e o transistor
“cortado” (sem corrente emissor-base1 como
mostra a figura 28a). Neste instante inicial temos
praticamente 0V em B1, e 12V em B2; começa
então a circular por R1 uma “forte” corrente I1
começando a carga de C1.
+12V
+12V
R2
I1
R1
B2
figura 28a
12V
6V
Base 1
Rb1
Emissor
Rv
N
6V
E
C1
Rv
10kW
B1
R3
E
Rb2
Base 2
B2
Nesta figura temos a junção emissor-base
representado por um diodo; portanto enquanto a
0V
I1 vai diminuindo, mas C1
continua sendo carregado,
e sua tensão ainda não
conseguiu polarizar
diretamente a junção baseemissor de T1 e com isso
T1 permanece cortado e a
tensão na Base 1 continua
baixa.
Com o passar do tempo, C1 vai se carregando e a
tensão de emissor de T1 vai aumentando e I1
diminuindo gradativamente enquanto C1 se
carrega; mas, enquanto a tensão do emissor (E) de
T1 não ultrapassar a tensão da junção emissorbase (aproximadamente a média da tensão entre
Base 1 e Base 2) o transistor T1 permanecerá
66 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
“cortado” (figura 28b).
Quando a tensão sobre C1 ultrapassar (em 0,6V) a
do transistor unijunção (UJT) pois ele é conhecido
como oscilador de relaxação e é fortemente
empregado na área industrial como controlador de
equipamentos e motores. Devido a suas
características o UJT não pode ser empregado em
circuitos amplificadores como o transistor bipolar,
sendo que também não encontramos UJT PNP ou
NPN.
Ele pode ser resumido como um SCR que dispara
quando sua tensão de emissor é “alta”, mas a
grande diferença estará no fato de que, se sua
tensão de emissor voltar a “cair”, ele volta a ficar
cortado. Já para o SCR, uma vez “disparado”,
permanece sempre disparado (até que se
interrompa a corrente entre anodo e catodo).
Na figura 29, temos o circuito do oscilador com suas
formas de onda no emissor e na Base 1.
+12V
+12V
R2
I1
R1
B2
6V
E
0V
figura 28b
12V
C1
Rv
10kW
B1
0V
R3
Capacitor C1 descarregado e T1 cortado, o
emissor está polarizado
com tensão reversa
mantendo T1 cortado e
consequentementa a
corrente entre Base 1 e
Base2 é muito baixa,
praticamente 0 A. Começa a carga de C1
com a corrente I1.
tensão da junção base-emissor começará a circular
uma corrente entre emissor e Base 1 alterando o
equilíbrio entre lacunas e elétrons do material da
Base 1 fazendo a resistência “Rv” diminuir
bruscamente (de aproximadamente 10k para 10 ou
100 ohms) e com isso, circulará também entre Base
1 e Base 2 uma corrente I2 fazendo o transistor
“saturar”; começa então a descarga de C1
mantendo a corrente emissor-base1 e fazendo a
tensão da Base 1 subir e a tensão da Base 2 cair,
como mostra a figura 28c. Quando o capacitor C1
descarregar, T1 volta a ”cortar” e recomeça o ciclo
com nova carga de C1.
figura 28c
+12V
+12V
7V
I2
R1
7V
6,4V
Rv
10W
Ie
C1
I2
6V
Quando C1 atinge uma
tensão 0,6V acima da
junção da base com o
emissor T1 “dispara” como
um SCR. Com a corrente
emissor-base1 a
resistência equivalente Rv
da base1 irá cair
rapidamente gerando uma
forte corrente entre Base 2
e Base1 fazendo a tensão
da Base 1 subir e
começando a descarga de
C1. Quando C1
descarregar T1 voltará a
cortar e recomeçar o ciclo
com nova carga de C1.
Este circuito é um oscilador, e resume o uso básico
ELETRÔNICA
figura 29
+12V
+12V
R2
R1
T1
E
Oscilador de relaxação
baseado na carga e
descarga de C1
e no disparo do transistor UJT (T1).
B2
B1
Saída
C1
R3
Este circuito (fig 29) é a configuração básica de uso
do UJT onde podemos acrescentar um transistor
“buffer” na saída da Base 1 e formarmos um
oscilador; ou acrescentar um SCR e formarmos um
controlador de velocidade para um motor, variando
R1 faremos a largura do pulso aumentar ou diminuir
controlando o disparo do SCR, entre outros usos.
Temos na figura abaixo, um oscilador formado por
um unijunção, que fará variar a tensão sobre um
diodo varicap, que estará ligado a um circuito
modulador de FM que fará a transmissão da
portadora com variações na frequência central,
como veremos a partir da aula 9.
AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO 67
APOSTILA ELETRÔNICA GERAL
MÓDULO - 3
CRISTAL A QUARTZ
O cristal é um componente eletrônico desenvolvido metais, onde serão soldados os terminais, como
a partir do efeito “piezoelétrico” dos materiais mostra a figura 31.
cristalinos. Seu emprego na eletrônica está ligado Olhando para a figura 31 podemos ver que esta
diretamente aos osciladores e filtros, sendo que na configuração é a mesma de um capacitor que terá
figura 30a, temos seu aspecto físico e na figura 30b como dielétrico isolante o próprio cristal; ficamos
seu símbolo.
então, como circuito equivalente do cristal, um
Um material pode ser circuito oscilador isolado por um capacitor. Veremos
chamado de cristal na próxima aula, como um indutor em conjunto com
q u a n d o t e m u m a um capacitor, forma um
figura 32
configuração estrutural circuito oscilador. Logo,
dos átomos em forma podemos substituir o
L
de rede geométrica cristal por um circuito
C2
bem definida, com equivalente como o
ligações geralmente mostrado na figura 32.
C1
covalentes, formando Pelo circuito equivalente
uma rede “cristalina”.
podemos concluir que o
figura 30a
Os cientistas Pierre e cristal não permite a
Jacques Curie descobriram que os cristais passagem de corrente elétrica, e se colocado num
possuem um efeito que foi chamado de circuito de corrente contínua funcionará com uma
PIEZOELÉTRICO; que consiste basicamente em chave aberta, sendo seu funcionamento ligado
figura 30b produzir tensão elétrica a partir de diretamente a sinais alternados.
deformações mecânicas no material O material mais usado na fabricação de cristais é o
cristalino, ou seja, se o cristal for QUARTZO, que dependendo do formato do corte
comprimido (pressionado) , produzirá pode produzir “cristais” que terão uma oscilação
u m a d i f e r e n ç a d e p o t e n c i a l natural que poderá variar de 1kHz a 130MHz. Na
proporcional à vibração das moléculas próxima aula, veremos exemplos de circuitos
do cristal, gerando energia elétrica. osciladores com cristais.
E s t e e f e i t o é u t i l i z a d o n o s Na figura 33, podemos ver um micro circuito
acendedores portáteis de fogão tipo integrado, feito especialmente para funcionar como
“magiclick”.
circuito oscilador, ligado a um cristal a quartzo. Nos
O efeito contrário também é verdadeiro, se pinos 2 e 3 são ligados os pinos do cristal, sendo a
submetermos um cristal a uma diferença de tensão de alimentação feita no pino 9 e a saída da
potencial, suas moléculas irão vibrar (oscilar) a uma frequência do oscilador, feita pelo pino 8.
frequência bem deterfigura 31
figura 33
minada,
que dependerá
CRISTAL
do tipo do cristal (material)
METAL
e da sua geometria de
corte (tamanho). Este
segundo efeito é
aproveitado na eletrônica
para controlar os
osciladores e dar maior
precisão a eles. O
componente eletrônico é fabricado a partir de uma
lâmina de cristal presa entre duas camadas de
VISTA INTERNA DE VÁRIOS TIPOS DE CRISTAIS UTILIZADOS EM ELETROELETRÔNICA
68 AMPLIFICADORES A, B, C, AB - OSCILADORES - SISTEMAS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO
ELETRÔNICA