1.TIRISTORES

TIRISTORES

1. Introdução

No controle de dispositivos de alta potência, alimentados pela rede de energia ou a partir de corrente alternada de inversores são usados dispositivos semicondutores especiais. Esses dispositivos formados basicamente por estruturas de quatro camadas pertencem à família dos tiristores. Encontramos tiristores controlando cargas resistivas de alta potência como lâmpadas e elementos de aquecimento em estufas, fornos e outras aplicações industriais, assim como os transformadores inversores, solenoides e muitos outros dispositivos semelhantes. Os elementos que formam esta família diferenciada de dispositivos semicondutores possuem características elétricas especificas que precisam ser conhecidas pelo profissional que vai usá-lo. Da mesma forma, os circuitos em que eles aparecem possuem configurações diferentes dos circuitos tradicionais que usam transistores e outros semelhantes. Nesta lição, você vai conhecer a família dos tiristores, sendo apresentado aos seus integrantes e, a partir disso, aprenderá a usar cada um os elementos. Suas características, limitações e cuidados no seu uso serão abordados com cuidado.

2. Conceito de Tiristores

Os tiristores formam uma família de dispositivos semicondutores cuja estrutura apresenta quatro camadas alternadas de materiais semicondutores. O nome tiristor deriva do componente equivalente de tecnologia mais antiga que é a válvula tiratron. Essa válvula, cujo símbolo é mostrado na figura 1, era usada como elemento de disparo no controle de cargas de potência, exatamente a mesma função de seu equivalente de estado sólido.

Figura 1

Assim, a estrutura de quatro camadas permite elaborar dispositivos com curvas dotadas de características de disparo acentuadas, como a mostrada na figura 2, que os torna apropriados para o controle de cargas de potência.

Figura 2

Exercício (A ao E)

1. A) Pesquise – O que é um solenoide?
2. B) Indique (3) três exemplos de aplicações práticas de um solenoide, trabalhando para uma determinada finalidade.
3. C) Pesquise – O que é um circuito inversor na eletrônica?
4. D) Indique (3) três exemplos de aplicações práticas de um circuito inversor sendo empregado nos equipamentos eletrônicos.
5. E) Os tiristores são semicondutores:
6. a) Formados por quantas camadas?
7. b) Os transitores são semicondutores formados por quantas camadas?

Os tiristores são, portanto, dispositivos capazes de conduzir correntes muito intensas, podem ser disparados com facilidade e rapidez, e, além disso, admitem uma polarização inversa com tensões muito altas. Estas características o tornam ideal para controlar cargas em circuitos de corrente alternada. Na indústria os dispositivos da família dos tiristores ocupam uma posição de destaque, aparecendo no controle de motores de corrente alternada, em inversores de frequência, fontes chaveadas em controles de solenoide e de cargas resistivas, como explicamos na introdução. Com tudo isso entendermos ao estudar cada um dos dispositivos que formam a importante família dos tiristores.

2. Os SCRs

SCR significa Silicon Controlled Rectifier ou Diodo Controlado de Silício. Trata-se de um dispositivo da família dos tiristores que o símbolo, aspectos e curva características, estão apresentados na figura 3.

Figura 3

O SCR tem a estrutura de quatro camadas, figura 4 e equivale a dois transistores complementares ligados de modo que um realimente o outro.

Para entender como funciona o SCR vamos imaginá-los em sua configuração equivalente ligada a uma carga e a uma fonte de alimentação, figura 5.

Quando não há sinal algum aplicado à base-B os dois transistores permanecem no corte e a carga não é percorrida por corrente alguma. O SCR está ligado. Aplicando uma tensão positiva na base-B, do transistor NPN, este transistor conduz e, com isso, aparece uma corrente na base do transistor PNP de modo a leva-lo também a condução. A condução pelo circuito e carga. Veja que, mesmo se o breve pulso de tensão que iniciou a condução desparecer, os dois transistores continuam se realimentando e a carga continua recendo alimentação.

Exercício (F ao J)

1. F) O quer é polarização inversa de um semicondutor?
2. G) Pesquise – O que é uma fonte chaveada?
3. H) Como funciona um transistor em corte?
4. I) Como funciona um transistor saturado?
5. J) O que é a realimentação de um circuito eletrônico?

Para desligar o SCR é preciso que a alimentação seja desligada por um breve instante, ou ainda que o Ânodo seja curto-circuitado ao cátodo para que a corrente se reduza a zero por um instante. Veja que, como o símbolo sugere, o SCR se comporta como um diodo. Conduzindo a corrente num único sentido. Assim, num circuito de corrente alternada ele se comporta com um controle de meia onda. Para uma aplicação de onda completa precisamos usar uma ponte de diodos ou dois SCRs em oposição, conforme mostra a figura 6.

Figura 6

As principais especificações dos SCRs são:

1. Corrente máxima entre ânodo e cátodo: é a máxima corrente que o dispositivo pode controlar estando normalmente entre 1 e 1.000 ampères para os tipos encontrados nas aplicações industriais.
2. Tensão inversa máxima: é a tensão máxima que pode aparecer entre ânodo e o cátodo do SCR quando ele está ligado. É a tensão máxima da rede em que ele pode funcionar. Encontramos tipos com tensões que variam entre 50 V e 2.000 V.
3. Tensão de disparo: é a tensão positiva que precisa ser aplicada ao Gate do SCR para que ele dispare. Normalmente está entre 0,7 e 2 V para os tipos comuns.
4. Corrente de disparo: é aquela corrente que deve circular pelo Gate do SCR para que ele entre no estado de plena condução. Pode variar entre 0,1 mA para os tipos muito sensíveis e 200mA ou mais para os tipos maiores.

Os SCRs são dotados de recursos que permitem sua montagem m radiações de calor. Observa-se que, quando um SCR está conduzindo a corrente, há uma queda de tensão da ordem de 2V entre seu ânodo cátodo. Multiplicando esta tensão pela corrente temos a potência que esta sendo convertida em calor naquele instante.

 Exercício (K ao P)

1. K) Pesquise – Quais as maneiras que podemos desligar um SCR, ou seja, o seu funcionamento?
2. L) Pesquise – Qual a (DDP) entre anodo e o catodo, quando o (SCR) está funcionando normal atividade em um circuito?
3. M) Pesquise – Um SCR está alimentando uma carga. O SCR está recendo 220V da rede elétrica e transferindo diretamente para carga (218) Volts, com um consumo de 5 A. qual a potência em watts dissipada por esse SCR?
4. N) Pesquise – Um SCR pode trabalhar como uma chave, eletrônica em (DCV) para alimentar uma carga?
5. O) Pesquise – Um SCR pode trabalhar como uma chave eletrônica em (ACV)?
6. P) Pesquise – Qual a principal diferença do ser trabalhando uma carga com (DCV) e uma carga sendo alimentada por (ACV)?

TRIACs

Os TRIACs são dispositivos semicondutores capazes de controlar correntes intensas em ambos os sentidos. Portanto são denominadas de dispositivos bidirecionais. Na figura 7 temos a estrutura, o símbolo, a curva características e a aparência dos tipos mais comuns de TRIACs.

        Figura 7

Exercício 1

1º) Quantas camadas de semicondutores formam a estrutura de um tiristor?

R-

2º) Como surgiu o nome tiristor na eletrônica?

R-

3º) Os tiristores são capazes de conduzir correntes muito intensas (elevadas), responda sim ou não?

R-

4º) Os tiristores admitem funcionar com uma polinização inversa, responda sim ou não?

R-

5º) Os tiristores podem trabalhar com tensões elevadas, responda sim ou não?

R-

6º) Os tiristores podem controlar cargas alimentadas com corrente alterada, responda sim ou não?

R-

7º) Indique alguns exemplos, onde são usados os tiristores na indústria.

R-

7º) O que um SCR?

R-

8º) Depois que um SCR foi disparado e está trabalhando normalmente, ou seja, conduzindo corrente elétrica, para desligar esse SCR o que é preciso?

R-

9º) O que o símbolo do SCR sugere ao técnico?

R-

10º) Um SCR pode trabalhar no controle de meia onda ou de onda completa?

R-

11º) Para uma aplicação em onda completa, utilizando o tiristor (SCR), o que deve ser feito?

R-

12º) Quais as principais especificações de um SCR?

R-

a)

b)

c)

d)

8º) Como examinar a corrente máxima que um SCR pode conduzir?

R-

9º) Como medir a tensão que está trabalhando um SCR?

R-

10º) O que é a tensão de disparo de um SCR?

R-

11º) O que é a corrente de disparo de um SCR?

R-

12º) A corrente de disparo dos tipos de SCR, é a mesma para todos? Explique sua resposta.

R-

13º) Quando um SCR está conduzindo corrente elétrica, qual a DDP entre o anodo e catodo desse SCR?

R-

14º) Como podemos determinar a potência de dissipação em Watts, de um SCR em funcionamento normal?

R-

15º) Por que o TRIAC é um dispositivo bidirecional?

R-

16º) Desenhe a simbologia de um TRIAC.

R-

17º) Desenhe um gráfico de corrente x tensão um tiristor (TRIAC), entra em funcionamento.

R-

18º) Como se chama, os termos dos terminais usados nos TRIAC?

R-

Importante:

·         O SCR pode funcionar como uma chave eletrônica. ·         O SCR necessita de um pulso (positivo no terminal do Gate pata iniciar o seu funcionamento. ·         É comum usar um diodo retificador em série, alimentando o terminal de Gate do SCR, para evitar polarização inversa no terminal de Gate de um SCR. ·         Quando se reduz a corrente de anodo a um valor abaixo de IH, chamada corrente de manutenção (holding current), o SCR é bloqueado. ·         A corrente de manutenção tem um valor abaixo, normalmente cerca de (100 vezes) menor que a corrente nominal do SCR. ·         Em um circuito CA, a corrente passa pelo zero em algum ponto do ciclo, o que leva o SCR ao bloqueio. ·         Desejando bloquear o funcionamento de um SCR, podemos aplicar uma tensão reversa nos terminais do SCR. ·         Um SCR pode separar mesmo sem um pulso positivo no Gate, basta elevar a um determinado nível a ddp entre o anodo e catodo do SCR.

Figura 8 

Figura 9

Exercício (Q ao Y)

1. Q) Como funciona um semicondutor bidimensional?
2. U) O TRIAC é um retificador?
3. V) O TRIAC normalmente na grande maioria dos circuitos é ligado em série ou paralelo com carga?
4. W) O TRIAC pode passar a conduzir corrente elétrica, se aplicamos um pulso positivo no seu terminal de GATE?
5. X) O TRIAC pode passar a conduzir corrente elétrica, se aplicarmos um pulso negativo no seu terminal de Gate?
6. Y) O (SCR) pode passar a conduzir corrente elétrica, entre seu amodoe o cátodo, se receber um peso negativo no seu terminal de GATE?
7. QUADRAC

Uma variação importante dos TRIACs é a que denominamos QUADRAC. Trata-se de um dispositivo semicondutor que já reúne num mesmo invólucro um TRIAC e um elemento de disparo que será estudado mais adiante, denominado DIAC. Na figura 10 temos o símbolo adotado para representar o QUADRAC e o aspecto dos tipos mais comuns, de média potência.

 Figura 10

Uma aplicação prática dos QUADRACs, e também dos TRIACs juntamente com os DIACs, é o controle de potência por variação do ângulo de fase mostrado na figura 11.

Este circuito é encontrado em eletrodomésticos como chuveiros, aquecedores, torneiras elétricas e em equipamentos industriais como estufas, aquecedores, etc. Quando este circuito é usado no controle de intensidades de luz ele recebe o nome de genérico de Dimmer. Seu funcionamento é o seguinte: o circuito RC variável, no qual temos um potenciômetro de ajuste, atrasa a tensão no capacitor quando ele se carrega num semiciclo da corrente alternada de entrada, assim, o instante em que o elemento e disparo atua (no acaso, um DIAC), é determinado pelo ajuste do potenciômetro. Se ele dispara no inicio do semiciclo, o TRIAC conduz logo e praticamente todo o semiciclo passa para a carga: temos a potência máxima. Se o ajuste é feito de forma tal que o disparo ocorra no final do semiciclo, apenas uma pequena parcela dele passa para a carga e com isso temos a potência mínima. Podemos então ajustar o potenciômetro para ter qualquer parcela do semiciclo passando a carga, e com isso a potência aplicada na carga, figura 12.

Figura 11     

                                                      

Figura 12

Exercício – 2

19º) Podemos analisar um TRIAC como dois SCRs ligados em oposição, responda sim ou não?

R-

20º) É necessário um pulso de disparo no terminal Gate de um TRIAC para ele poder conduzir em um único sentido ou nos dois sentidos?

R-

21º) O TRIAC pode trabalhar como um retificador?

R-

22º) O circuito de carga que é ligado a um TRIAC para ser alimentado, deverá ficar e, série ou em paralelo?

R-

23º) Pesquise para responder (Google). O pulso de disparo para um TRIAC passar a controlar uma carga, poderá ser apenas (positiva), (negativa) ou (positiva e negativa)?

R-

24º) Quais as (4) quatro principais características de um TRIAC?

R-

a)

b)

c)

d)

25º) Como determinamos a tensão máxima que poderá suportar um TRIAC, entre os seus terminais MT₁ e MT₂, ou seja, é pela tensão de pico, ou pela tensão eficaz?

R-

26º) Como sabe a corrente máxima que um TRIAC, poderá conduzir?

R-

27º) Explique o que é a tensão de disparo de um TRIAC?

R-

28º) Explique o que é a corrente de disparo de um TRIAC?

R-

29º) Geralmente qual a faixa de corrente de disparo necessária para um TRIAC, passar a conduzir corrente elétrica?

R-

30º) Como podemos determinar a potência de dissipação em Watts de um TRIAC?

R-

31º) Explique o que significa a taxa  de um tiristor que é dada em m/seg?

R-

Pesquise:

1. Qual a vantagem do TRIAC em relação ao SCR, no que se refere ao sentido de condução?

R-

1. Qual é a vantagem do TRIAC em relação ao SCR, no que se refere ao disparo pelo gatilho?

R-

6. SUS

Os Silicon Unilateral Switches ou Chaves Unilaterais de Silício são dispositivos da família dos tiristores que se destinam ao disparo de SCRs. Na figura 13, temos o símbolo e a curva característica deste dispositivo que, conforme o nome sugere, conduz a corrente num único sentido ao disparar. O SUS tem um terminal que permite programar a tensão de disparo numa faixa tipicamente entre 10 e 27 V.

Figura 13

SBS

O Silicon Bilateral Switch ou Chave Bilateral de Silício é um dispositivo com características semelhantes ao SUS, mas que, quando disparado, pode conduzir a corrente nos dois sentidos. O seu símbolo e curva característica são mostrados na figura 14.

 Figura 14

DIACA tensão típica de disparo do SUS está entre 10 e 30 V. Como o SBS pode, ao disparar, conduzir a corrente em ambos os sentido, ele é utilizado no disparo de TRIACs, enquanto o SUS é usado no disparo de SCRs.

Os DIACs são dispositivos semicondutores usados no disparo de TRIACs e possuem curva característica e símbolo mostrados na figura 15.

Figura 15

Suas características são semelhantes ao SBS e mesmo à antiga lâmpada neon, mas a tensão de disparo fixa, está tipicamente entre 18 e 40 V para os tipos comuns.  Os DIACs possuem velocidade de comutação muito rápido sendo, por este motivo, usados nos casos em que se deseja controle de potência, em redes AC.

9. PUT

PUT significa Programmable Unijuntion Transistor ou Transistor Programável Unijunção. Trata-se de um dispositivo da família dos tiristores também destinado ao disparo de SCRs e TRIACs.

Na figura 16 temos o símbolo adotado para representar este componente e o seu aspecto típico.

Figura 16

Conforme podemos ver, apesar de se tratar de um “transistor”, seu símbolo lembra mais um diodo ou um SCR com um terminal de comporta ligado ao ânodo. Este transistor ou elemento de disparo conduz seus terminais de ânodo e cátodo atinge um determinado valor. Este valor, conforme mostra a figura 17, pode ser programado por uma rede resistiva ligada ao Gate.

Figura 17

Ainda que possam ser encontrados em algumas aplicações industriais, os PUTs não são componentes muito comuns em nossos dias. Existem circuitos integrados que reúnem funções equivalentes que podem ser usados no disparo de SCRs e TRIACs de maneira igualmente eficiente.

10. SIDAC

SIDAC significa Silicon Diode for Alternating Current ou Diodo de Silício para corrente alternada. Trata-se de um dos componentes mais recentes da família dos Tiristores, sendo indicado para o disparo de diversos tipos de circuitos com alta tensão.

A figura 18 mostra o símbolo adotado para representar um SIDAC e o seu aspecto, assim como sua característica.

Os SIDACs comuns disparam com altas tensões tipicamente entre 50 e240 V, sendo os tipos mais comuns os de 120 e 240 V, que quando o disparo ocorre podem conduzir intensamente a corrente.

Figura 18

Os SIDACs podem ser usados em duas configurações típicas que são mostradas na figura 19.

Figura 19

Na segunda, ligado em série com uma carga, o SIDAC proporciona um recurso de segurança e redução de consumo, cortando os semiciclos da alimentação,Na primeira, o SIDAC funciona como um oscilador de relaxação de alta-potência, podendo alimentar transformadores de alta tensão, disparar flashes de sinalização de xenônio e em outras aplicações semelhantes.

11. Opto-Disparadores

Os elementos finais da família dos tiristores são os circuitos integrados ópticos que utilizam em seu interior elementos disparadores. O mais utilizado nas aplicações industriais, por motivos de comodidade a segurança, é o opto-disparador com DIAC ou opto-acoplador com DIAC, mostrado na figura 20.

Figura 20

O circuito de disparo pode então ficar totalmente isolado do circuito de potência usando TRIAC ou outro dispositivo de potência da mesma família. A tensão de isolamento típica desses dispositivos é de 7.000 volts.Nesse componente, um LED infravermelho atua diretamente sobre um DIAC disparando em presença de sua radiação. Isso significa que o emissor (LED) e sensor (DIAC) estão isolados eletricamente.

Dois opta-acopladores especialmente indicados para aplicações industriais como disparadores comutando diretamente TRIACs de alta potência são os MOC3010 e MOC3020.

O MOC3010 é indicado para aplicações na rede de 110 V enquanto que o MOC3020 para a rede de 220 V. Esses componentes, cuja pinagem e circuitos equivalentes são mostrados na figura 21, possuem algumas variações (3009, 3011, 3012, 3021, 3023) que se diferenciam apenas pela corrente no LED para a excitação.

Figura 21

Conforme podemos ver, esses componentes possuem opto-diacs que são disparados diretamente pela luz emitida pelo LED infravermelho. O MOC3010 precisa de uma corrente de 8 mA para produzir o disparo (os de números mais altos são mais sensíveis, chegando a 3mA para o MOC3012). Para o MOC3020 a corrente é 15mA (o 3021 tem uma corrente de 8 mA). Para o MOC3010 e para o MOC 3020 temos o circuito típico para cargas não indutivas figura 22.

 Exercício – 3

32º) O que é um Quadrac?

R-

33º) Desenhe a Simbologia de um Quadrac.

R-

34º) Como é formado internamente um Quadrac?

R-

35º) O Quadrac como o TRIAC, oferecem a possibilidade de controlar uma carga de potência, via controle da (frequência da tensão que alimenta essa carga) ou (via controle da variação do ângulo de fase)?

R-

36º) O que é um Dimmer?

R-

37º) Veja a figura (11) onze para responder. O que é o circuito (Rc) nesse esquema?

R-

38º) Qual a função desse potenciômetro, nesse circuito?

R-

39º) O capacitor desse circuito, irá de carregar no ciclo de tensão (acv) ou no semiciclo da tensão (ACV) da rede elétrica?

R-

40º) Pesquise no Google.

R-

Como funciona o DIAC?

R-

41º) Quais os tipos de DIAC mais utilizados nos circuitos eletrônicos?

R-

42º) Nesse circuito da figura (11) onze, quem ajusta o momento do disparo do DIAC, entrar em funcionamento?

R-

43º) Como deve ser ajustado o DIAC, para o TRIAC poder fornecer a potência máxima para a “carga”?

R-

44º) Como deve ser ajustado o DIAC, para o TRIAC poder fornecer a potência mínima para a “carga”?

R-

45º) É possível utilizando esse processo de ajuste, controlar a potência fornecida a uma carga?

R-

Importante:

O DIAC é uma chave bidirecional disparada por tensão. Normalmente a tensão de disparo dos DIACs ocorre entre 20 e 40V. Você observando a figura (11) onze, verificamos que (P1 + R1) x C1 será a constante de tempo. Atenção. Quando variamos o valor dessa resistência, que forma a constante de tempo do circuito irá modificar o ângulo de defasagem (8) e, portanto, o ângulo () de disparo do SCR ou de m TRIAC.

 Figura 22

 

 

Tiristores.2

12. Aplicações na Indústria

Os semicondutores da família dos tiristores, juntamente com outros dispositivos de potência tais como IGBTs, Power MOSFETs consistem em elementos ideais para o controle de dispositivos que operem com baixas e médias frequências e altas correntes.

Além do controle de potência tradicional com atraso de fase usando TRIACs, encontramos diversas outras configurações que o aluno deve conhecer e que também utilizam SCRs.

Começamos por analisar um sistema de controle de circuitos trifásicos usando SCR que é uma configuração bastante comum nas aplicações industriais. O circuito básico é mostrado na figura 23.

Figura 23

Os impulsos aplicados aos SCRs devem ser defasados de 120 graus figura 24.

Figura 24

Uma outra configuração que encontramos nas aplicações industriais é a que uso de transformadores de disparo, conforme mostra a figura 25.

Figura 25

Finalmente, temos na figura 26 um retificador trifásico que faz uso de três SCRs.Nesta configuração, os elementos geradores dos pulsos que são aplicados ao transformador podem ser dos mais diversos tipos. Um tipo comum de configuração usada para esta aplicação é a que faz uso de transistores unijunção.

Figura 26

Os SCRs são disparados sequencialmente, de acordo com a fase das tensões obtidas dos enrolamentos do transformador e a corrente aplicada à carga.

Exercícios de Revisão 1 – Um SCR conduz a corrente de que modo? (  ) a) Num único sentido, como um diodo. (  ) b) Nos dois sentidos, como um resistor. (  ) c) De maneira alternada, dependendo do tipo. (  ) d) Entre a comporta e o ânodo. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 2 – Qual é a potência dissipada por um SCR onde a queda de tensão é de 2 V ao conduzir uma corrente de 10 A? (  ) a) 5W (  ) b) 10W (  ) c) 20W (  ) d) 200W (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 3 – Um TRIAC para controlar uma carga num circuito de corrente alternada deve ser ligado de que forma? (  ) a) Em paralelo. (  ) b) Em série. (  ) c) Com a carga conectada ao Gate. (  ) d) com a carga entre MT1 e a comporta. (  ) e) Nenhuma das alternativa anteriores. 4 – O fator di/dt de um tiristor define: (  ) a) sua capacidade máxima de condução; (  ) b) a corrente necessária ao disparo; (  ) c) a dissipação máxima; (  ) d) a velocidade com que ele liga; (  ) e) nenhuma das alternativas anteriores. 5 – Qual dos seguintes componentes não é usado no disparo de um TRIAC? (  ) a) Lâmpada néon. (  ) b) SUS. (  ) c) DIAC. (  ) d) SBS (  ) e) Nenhuma das alternativas. 6 – De que modo é possível programar a tensão de disparo de um PUT? (  ) a) Aumentando o valor da tensão entre ânodo e catodo. (  ) b) Ligando uma rede RC na sua comporta. (  ) c) Alterando a tensão de alimentação. (  ) d) Ligando um divisor de tensão em seu Gate. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 7 – Qual dos seguintes componentes não pode ser usado num oscilador de relaxação? (  ) a) Lâmpada néon. (  ) b) SIDAC. (  ) c) DIAC. (  ) d) TRIAC. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 8 – O elemento emissor de um opto-diac é: (  ) a) um lâmpada néon; (  ) b) um LED infravermelho; (  ) c) um oscilador de relaxação; (  ) d) um foto-transistor; (  ) e) nenhuma das alternativas anteriores. 9 – Qual deve ser a separação entre os pontos de condução dos SCRs num sistema de contorle trifásico? (  ) a) 90graus. (  ) b) 120 graus. (  ) c) 180 graus. (  ) d) 270 graus (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores.

 CIRCUITO DE DISPARO

Introdução

Já analisamos o princípio de funcionamento de diversos semicondutores usados no controle de potência.

Os tiristores aparecem hoje numa infinidade de aplicações industriais que vão desde o controle direto das máquinas até de elementos secundários como os que fazem seu abastecimento, que controlam o movimento das peças manuseadas e muito mais.

Esses componentes, entretanto, não operam sozinho. Além dos próprios circuitos de controle, existem elementos que fazem o seu disparo, o que é fundamental para o interfaceamento entre eles.

Nesta lição vamos tratar das principais tecnologias usadas no disparo dos circuitos que fazem uso de componentes da família dos tiristores. Analisaremos as principais configurações encontradas nas aplicações comuns e na indústria. O aluno verá que estas tecnologias não só utilizam os elementos e potência como SCRs e TRIACs, como também os elementos da mesma família que possuem características de disparo e, portanto, operam em conjunto.

Nesta categoria também vamos incluir elementos de outras famílias como os transistores bipolares comuns, os transistores unijunção e mesmo alguns sensores.

Exercício – 4

46º) Como é possível obter a potência máxima para uma “carga”, quando é alimentada por um TRIAC?

R-

47º) Veja a figura (12) e indique o ponto, que deve ser disparado o TRIAC, par obter a potência máxima.

R-

48º) Como é possível obter a potência mínima para uma “carga” quando é alimentada por um TRIAC?

R-

49º) Indique na figura (12), o ponto que deverá disparado o TRIAC, para obter a potência mínima.

R-

50º) O que é o SUS? Desenhe o seu símbolo.

R-

51º) Indique (certo) ou (errado) no texto abaixo.

1. a) O (SUS) conduz a corrente em ambos os sentidos. ( ).
2. b) O (SUS) conduz a corrente em um único sentido. ( ).
3. c) O (SUS) conduz a corrente em um único sentido. ( ).
4. d) O (SUS) possui um tensão de disparo igual a um DIAC. ( ).

52º) Qual a diferença no funcionamento do (SUS) para (SBS)?

R-

53º)  Como funciona o DIAC?

R-

54º) Qual a vantagem do DIAC em relação à (SUS) e ao (SBS)?

R-

55º) Qual a desvantagem do (DIAC) em relação à (SUS)?

R-

56º) Qual a função do semicondutor PUT?

R-

57º) Qual o símbolo do PUT?

R-

58º)  Como funciona o semicondutor PUT?

R-

59º) Como funciona o SIDAC? Qual seu símbolo?

R-

60º) Qual a tensão de disparo do SIDAC?

R-

61º) Quais as principais características de funcionamento dos opto-disparadores moc3010 e moc3020?

R-

a)

b)

c)

d)

e)

62º) Qual o valor da corrente de disparo do moc3010 de do moc3020?

R-

63º) Qual a constate de tempo do circuito da figura 11?

R-

64º) Quais os dois componentes semicondutores da família dos tiristores, que são ideias para o controle de dispositivos que trabalham com baixa e media frequência e altas correntes?

R-

65º) Pesquise no google como funciona o IBGT e o power mosfet?

R-

66º) Um sistema de controle para circuitos trifásicos usando SCR é bastante comum, veja a  figura 23.       A tensão (ACV) aplicada nesse sistema deve ser em 60°, 120° ou 180°?

R-

67º) O que é um transformador de disparo, usado nos equipamentos eletrônicos? Pesquise no google.

R-

68º) Desenhe um retificador trifásico. Veja figura 26.

R-

69º) Pesquisa – Indique (4) quatro componentes da família dos tiristores.

R-

70º) Pesquise – O que é um oscilador de relaxação?

R-

71º) Pesquise – Explique. Como um resistor e um capacitor e uma lâmpada neon, conseguem gerar uma tensão dente de serra, capaz de acionar um SCR?

R-

72º) Pesquise – Em qual terminal do (SCR), será aplicado o pulso dente de serra, que será capaz de ativar OSCR?

R-

1. Osciladores de relaxação no Disparo de Tiristores

A tecnologia mais comum usada no disparo de tiristores é a que faz uso de osciladores de relaxação. A primeira configuração a ser estudada é a que faz uso de uma lâmpada neon e que, por suas características de simplicidade, é encontrada nas aplicações comuns de menor custo, em controles de potência, por exemplo. Na figura 27 mostramos esta configuração

Figura 27

Quando a descarga do capacitor atinge a tensão de manutenção da lâmpada, ela desliga e com isso temos um novo ciclo de carga. As formas de onda dente de serra no capacitor e pulsos no tiristor são mostradas na figura 28.Numa primeira aplicação, o capacitor carrega-se através do resistor ate ser atingida a tensão de disparo da lâmpada. Quando isso ocorrer, sua resistência diminui, permitindo a polarização de tiristor via terminal Gate.

Figura 28

Um primeiro a ser analisado é o transistor unijunção que pode ser usado para produzir pulsos de disparo para tiristores na configuração mostrada na figura 29Uma variação deste circuito será analisada no item controle de fase. A lâmpada neon, entretanto não é o único elemento que pode funcionar num oscilador de relaxação. Qualquer dispositivo que possua uma curva característica com resistência negativa pode ser usado nesta aplicação, e existem diversos deles.

Figura 29

Nesta configuração é comum o uso de transformadores de disparo. Estes transformadores são enrolados em núcleos de ferrite e têm por função obter uma corrente mais intensa sob condições de baixa impedância, o que acelera o disparo do tiristor.O principio de funcionamento deste oscilador é exatamente o mesmo que vimos para a lâmpada neon: o capacitor se carrega através do resistor até a tensão de disparo. Descarga do capacitor através do dispositivo produz um pulso agudo no Gate do tiristor.

É comum encontrarmos nestes circuitos transformadores de disparo com taxas de enrolamento de 1:1. Trata-se, portanto, de um transformador de isolamento que tem a vantagem de isolar o circuito de controle de baixa tensão do circuito de carga, que normalmente opera com altas tensões.

Mais adiante, na figura 88, temos um exemplo de circuito prático que usa este tipo de transformador, mas com um oscilador de relaxação que em pode usar um diac como uma lâmpada neon.

Exercício – 5 

73º) Pesquise – Como funciona um transistor de unijunção?

R-

74º) Pesquise – Como deve ser polarizado um transistor de unijunção?

R-

75º) Pesquise – Como examinar com o multiteste, um transistor de unijunção?

R-

76º) Pesquisa – Qual a finalidade do uso do núcleo de ferrite nos transformadores?

R-

77º) Pesquise – O que é baixa impedância de um circuito eletrônico?

R-

78º) Pesquise – O que significa um trato com taxa de enrolamento de 1:1?

R-

79º) Pesquise – Qual o principio de funcionamento para os circuitos de disparo, quando se deseja controlar a potência de uma “carga”, alimentados por uma tensão (AC) senoidal?

R-

80º) Pesquise – Como devemos aplicar um pulso de disparo no circuito, para obter a condição de máxima potência na “carga” que está sendo alimentada por esse circuito?

R-

81º) Pesquise – Como podemos obter a metade da potência aplicada a uma “carga” com um pulo de disparo?

R-

2. Controle de Fase

Uma aplicação para os circuitos de disparo está no controle de potência, cuja principio está na variação da fase do sinal aplicado à carga, e do qual já falamos na lição em que tratamos dos tiristores.

 Figura 30

Estes circuitos produzem pulsos de disparo em diversos pontos da tensão senoidal que deve ser aplicada á carga, conforme mostra a figura 30. Quando o pulso de disparo é aplicado no início de um semiciclo, o semiciclo inteiro praticamente é aplicado à carga e temos a condição de máxima potência. 

Quando aplicamos o pulso de disparo no maio do semiciclo, apenas metade do semiciclo é conduzida para a carga e a potência fica reduzida também à metade.

Finalmente, se aplicarmos o pulso no final do semiciclo, apenas uma parcela muito pequena da potência é aplicada à carga. Se ajustarmos ângulo de disparo do tiristor dentro do semiciclo podemos controlar com precisão a potência aplicada a uma carga.

Existem diversas técnicas para se fazer isso, começando com  amais simples, que é a que faz uso de uma lâmpada neon. Um circuito que serve para ilustrar com isso funciona é mostrado na figura 31.

Figura 31

Neste circuito, o capacitor carrega-se através da rede resistiva R até que a tensão de disparo seja atingida. A constante de tempo do circuito deve ser calculada para que isso ocorra dentro do semiciclo da corrente alternada, qualquer que seja o ajuste do potenciômetro.Observe que este circuito, inicialmente tomado com exemplo, por usar um SCR, conduz apenas metade de um ciclo senoidal, o que significa que semiciclo negativo, mostrados na figura 27 ficam retidos no SCR. Conforme veremos mais adiante, na forma de onda deste circuito teremos apenas pulsos positivos na carga.

Quando a tensão de disparo é atingida, a lâmpada neon conduz e com isso o tiristor é ligado conduzindo pelo restante do semiciclo da corrente alternada.  Na figura 32 mostramos o que ocorre no circuito com dois ângulos de condução ajustados via circuito RC.

A parcela do semiciclo conduzido vai determinar a potência aplicada ao circuito de carga. Podemos então controlar a potência na carga simplesmente modificando a constante de tempo do circuito através do potenciômetro.

 Figura 32

Veja que o circuito deste tipo apresenta alguns inconvenientes que devem ser levados em conta no seu uso o primeiro está no fato de que não conseguimos chegar exatamente aos 100% da potência aplicada à carga, assim, o rendimento prático de um controle de potência deste tipo é menor que 100%. Para aplicações praticas o rendimento pode chegar aos 96%.Da mesma forma que usamos a lâmpada neon, podemos usar outros componentes de disparo como o DIAC, SUS SBS, etc. Na figura 33, temos um exemplo de circuito em que é utilizado um DIAC para o disparo de um TRIAC.

Figura 33

Outro ponto importante a ser considerado é que a comutação muito rápida do tiristor no momento em que ele liga pode causar problemas de comutação de cargas indutivas. Conforme veremos, isso pode tanto dar origem a instabilidades como gerar interferências.

Também devemos considerar que existe uma queda de tensão no tiristor que faz com que ele se aqueça, havendo com isso uma certa perda da energia no circuito.

 Exercício – 6

82º) Pesquise – No caso de aplicamos um pulso no final do semiciclo, o que ocorrerá com a potência aplicada a “carga” nesse caso?

R-

83º) Pesquise. Qual a sua conclusão sobre o ajuste do ângulo de disparo do tiristor dentro de um semiciclo?

R-

84º) Pesquise – Veja a figura 31, a “carga” irá ser alimentada por qual tipo de pulso elétrico:

R-

85º) Pesquise –  Como calcular a constante de um circuito (RC)?

R-

86º) Pesquise – Como funciona o circuito (RC), na figura 31, o qual irá acionar o SCR?

R-

87º) Pesquise – O que irá determinar a potência aplicada a um circuito de “carga”, quando ocorrer o disparo do tiristor SCR?

R-

88º) Pesquise – Como podemos controlar a potência na “carga”, de um circuito que utiliza um tiristor, seja ele um SCR ou TRIAC?

R-

89º) Pesquise – Indique alguns componentes usados para o disparo de tiritores, além da lâmpada neon.

R-

90º) Pesquise – Indique (7) sete inconvenientes que o circuito de controle de potência do tipo usado na figura 33 irá provocar?

R-

91º) Pesquise – Nas aplicações trifásicas, como funcionam os SCRS?

R-

92º) Pesquise – Qual o ângulo de condução de cada SCR, em uma rede trifásica?

R-

93º) Pesquise – Uma ponte de SCRs pode atuar como um retificador trifásico para alimentar um motor de corrente continua?

R-

3. Controles Monofásicos e Trifásicos

Nas aplicações domesticas e de baixa potência predominam os circuitos monofásicos. Para estes, apenas um tiristor (SCR ou TRIAC) é suficiente para a operação.

Lembramos que os SCRs são controles de meia onda, o que significa que para controlar uma carga em onda completa, precisamos agregar pontes de diodos ou outros recursos. Os controles de potência que vimos até agora são todos monofásicos e encontrados em muitas aplicações. Eles servem perfeitamente para que possamos entender como funcionam seus circuitos de disparo.

No caso das aplicações trifásicas, os SCRs são os componentes mais usados, servindo para comutar uma das fases da alimentação, conforme mostra a aplicação típica da figura 34.

Figura 34

Figura 35

Nesta aplicação, cada SCR controla o ângulo de uma das fases de modo que no total eles possam determinar a potência final aplicada ao circuito de carga. Para um motor de alta potência, o ângulo de condução de cada SCR vai determinar sua potência ou velocidade. Os ângulos de condução de cada SCR são defasados de 120 graus figura 35.

 Uma outra aplicação importante num controle trifásico é a mostrada na figura 36.

Figura 36

Exercício – 7Nesta aplicação temos uma ponte de SCRs que atua como um retificador trifásico alimentando um motor de corrente continua. Observe que o controle do ângulo de condução dos SCRs vai determinar a tensão média aplicada ao motor e ao mesmo tempo temos dois outros SCRs que controlam a corrente na bobina de campo do mesmo motor. Os dois SCRs que atuam sobre a bobina de campo permitem inverter sua polaridade e com isso o sentido de rotação do motor.

94º) Pesquise – O controle do ângulo de condução dos SCRs, no retificador trifásico que alimenta o motor, vai determinar um tensão de valor de pico, médio ou pico a pico?

R-

95º) Pesquise – Qual a finalidade utilizar dois SCRs, ligados em série com a bobina de campo de um motor de corrente continua trifásico?

R-

96º) Pesquise – A configuração do retificador trifásico, utilizado na figura 36 é de meia onda ou de onda completa?

R-

Com a configuração indicada temo a retificação de meia onda, o que leva o circuito ao seu melhor rendimento. Usando uma ponte de SCRs podemos elaborar um conversor-inversor do sentido de rotação a partir de alimentação trifásica figura 37.

Figura 37

Da mesma forma que nas pontes H, muito usadas em motores de corrente contínua de pequena potência, a sequencia de acionamento dos seis SCRs é que vai determinar o sentido de rotação do motor.Veja que, neste caso, a bobina de campo do motor de corrente continua é alimentada por uma corrente de sentido único, determinado pelo diodo retificador.

Para esta sequência existem situações proibidas. Veja que dois SCRs do mesmo ramo em série não podem ser ativados ao mesmo tempo, pois isso colocaria o circuito em curto. Uma característica importante deste tipo de circuito de disparo e controle trifásico esta na possibilidade obter uma inversão de direção muito rápida para um motor.

4. Disparo com Transformador de Pulso

Uma forma muito comum de se dispara tiristor é através de circuitos isolados por um transformador de pulsos, conforme mostra a figura 38.

Figura 38

Exercício – 8Estes transformadores possibilitam o disparo rápido do tiristor, com a produção de intensidades de corrente de acordo com suas características. Mas, as vantagens principais destes transformadores estão no isolamento e no casamento de impedâncias. De fato, além dos enrolamentos estarem isolados, permitindo que o circuito de disparo seja totalmente independente da carga controlada, temos a possibilidade do pulso aplicado ao tiristor ter características que se adaptam melhor ao seu disparo.

97º) Pesquise – Veja na figura 37 um circuito que utiliza uma retificação de qual tipo?

R-

98º) Pesquise – Qual a vantagem desse circuito da figura 37 para o da figura 36?

R-

5. Quadrantes de Operação dos TRIACs

Conforme mostra a figura 39, os TRIACs podem operar de quatro formas diferentes, as quais dependem do modo com seu disparo é feito.

Figura 39

Figura 40

Na figura 40, relembramos a simbologia de um tiristor TRIC.

Quadrante VMT2 VG (1) + + (2) + – (3) – – (4) – +

Quadrante 1→ o TRIAC conduz pulsos positivos disparados por corrente positiva de Gate.

Quadrante 2→ o TRIAC conduz pulsos positivos disparados por corrente negativa de Gate.

Quadrante 3→ o TRIAC conduz pulsos negativos disparados por corrente negativa de Gate.

Quadrante 4→ o TRIAC conduz pulsos negativos disparados por corrente positiva de Gate.

As régios 1 e 3, da curva característica, representam o modo mais comum e eficiente de polarização de um TRIAC.

6. EMI

A comutação rápida dos SCRs e TRIACs, principalmente quando controla cargas indutivas, gera interferência eletromagnética (EMI) e interferência na faixa de radio frequências (RFI). Equipamentos de comunicação que operam junto a circuitos comutados por tiristores podem sofrer interferências intensas numa faixa que se estende dos 100 kHz até mais de 30 MHz.

Este fato faz com que devam ser tomadas precauções especiais para evitar que essas interferências sejam irradiadas ou se propaguem pela própria rede de energia que alimenta o circuito.

No primeiro caso temos o uso de blindagens aterradas. Para o segundo caso podem ser usadas filtros LC intercalados entre o circuito interferente e a rede de energia e o circuito interferido e a rede figura 41.

Figura 41

Veja que, este tipo de filtro impede a propagação de interferência via rede de energia, mas não da interferência irradiada. Assim, o profissional que se vê diante de um problema causado por circuitos de comutação com tiristores deve, antes de optar por uma solução, verificar de que modo à interferência se propaga.

Exercício – 9

99º) Pesquise – Qual a finalidade dos transformadores de pulsos, nos circuitos de disparo?

R-

100º) Pesquise – O que é o casamento de impedância entre os circuitos eletrônicos?

R-

101º) Pesquise – O TRIAC pode ser disparado e entrar em ação com pulsos positivos e negativos?

R-

102º) Pesquise – A comutação rápida dos SCRs e TRIACs geram MEU. O que é esse EMI?

R-

103º) Pesquise – Qual a faixa de frequência que a EMI provoca?

R-

104º) Pesquise – O que deve ser feito para reduzir o efeito EMI, nos circuito elétricos e eletrônicos?

R-

105º) Pesquise – O que é uma interferência irradiada?

R-

106º) Pesquise – O que é a Fcem?

R-

107º) Pesquise – Qual a função do circuito SMU NNERS?

R-

7. Snubbers

Além da interferência causada pela comutação rápida dos tiristores temos inda um outro problema que ocorre com cargas indutivas: o aparecimento de uma tensão induzida, mais conhecida como fcem.

A comutação de uma carga fortemente indutiva pode gerar transientes que atingem tensões que, segundo se verifica, podem superar os 3.000 volts em alguns casos. Para evitar que esta alta tensão inversa gerada no desligamento de uma carga indutiva cause problema ao tiristor são usados circuitos amortecedores ou snubbers figura 42.

Figura 42

Aplicações na Indústria

Estes circuitos amortecem os picos de alta tensão gerados na comutação, evitando a queima dos TRIACs ou SCRs.

Os tiristores associados aos circuitos de disparo encontram uma vasta gama de aplicações industriais. Conforme vimos, temos desde os controles de potência para motores de todos os tipos ate os sistemas inversores e retificadores.

Um tipo de aplicação bastante usada na indústria é a que faz uso de um circuito disparador denominado “chave de passagem por zero” ou “zero crossing switch” se adotarmos o nome em inglês. Este circuito liga um TRIAC quando a tensão da rede de energia passa por erro ou depois de um certo tempo que pode ser programado por elementos externos como uma rede RC.

Na figura 43 temos um exemplo de aplicação de uma chave de passagem por zero, em torno da qual se realiza um controle de temperatura de uso industrial com um TRIAC.

Figura 43

Figura 44

A finalidade deste circuito é manter constante a temperatura de um elemento de aquecimento através da potência aplicada a ele. O elemento sensor usado no circuito é um NTC, e o ajuste do ponto de disparo que determina a potência aplicada ao elemento de aquecimento e sua temperatura é feito através de um trimpot. Outra aplicação importante de um TRIAC é mostrada na figura 44 que mostra um sistema de partida usando este tiristor.

Exercício – 10

108º) Pesquise – Como deve ser ligado o circuito SMUBBERS no TRIAC?

R-

109º) Pesquise – Como funciona o circuito “chave de passagem por zero”?

R-

110º) Pesquise – Como funciona o MTC?

R-

Observe que existe um transformador de corrente que dispara o TRIAC de modo que ele alimente o enrolamento de partida quando o motor é energizado. Quando o motor adquire velocidade suficiente, e reduzindo sua carga com a consequente diminuição da corrente no transformador de corrente, o TRIAC desliga.

Terminamos esta lição com um circuito de disparo de Tiristores que é encontrado tanto em aplicações de consumo, como industriais. Trata-se de um oscilador de relaxação com SCR que produz alta tensão a partir da descarga do capacitor num transformador.

Este circuito é mostrado na figura 45 e pode ser usado tanto para alimentar flashes de xenônio para fotografia e sinalização, como para gerar altas tensões em máquinas industriais, filtros eletrostáticos, cercas eletrificadas, sistemas de ignição de automóveis e muitos outros.

Figura 45

Esta descarga induz uma alta tensão no transformador que tanto pode ser usada para fazer a ignição de uma lâmpada de xenônio como pode ser usada para eletrificação, produção de campos estáticos, etc.Nesta aplicação o capacitor carrega-se através do resistor e do diodo com a alta tensão que tanto pode vir da rede de energia como de um inversor. Quando a tensão de disparo do elemento usado para esta finalidade é atingida, o SCR dispara e através dele ocorre à descarga do capacitor.

Exercício – 11

111º) Pesquise – Qual a vantagem da aplicação do circuito que utiliza a (chave de passagem por zero). Quando aciona o TRIAC?

R-

112º) Como funciona o circuito da figura 45?

R-

Exercícios de Revisão 1 – Qual dos elementos citados não funciona num oscilador de relaxação? (  ) a) Lâmpada neon. (  ) b) Diodo retificador. (  ) c) Transistor Unijunção. (  ) d) DIAC. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 2 – Um controle de potência por fase atua: (  ) a) controlando a corrente na carga; (  ) b) como um reostato; (  ) c) modulando pulsos; (  ) d) controlando o ângulo de disparo de um tiristor; (  ) e) nenhuma das alternativas anteriores. 3 – Com o disparo do elemento de controle no final de um semiciclo, um controle de potência aplica a carga: (  ) a) maior potência; (  ) b) menor potência; (  ) c) nada podemos afirmar; (  ) d) depende da frequência da rede de energia; (  ) e) nenhuma das alternativas anteriores. 4 – A maior potência num controle com TRIAC é aplicada à carga quando: (  ) a) a resistência do potenciômetro é máxima; (  ) b) a resistência do potenciômetro está num ponto intermediário; (  ) c) a resistência do potenciômetro é mínima; (  ) d) o capacitor tem valor máximo; (  ) e) nenhuma das alternativas anteriores. 5 – Qual dos seguintes componentes não é usado num sistema retificador? (  ) a) SCR. (  ) b) Diodo de silício. (  ) c) Válvula Tiratron. (  ) d) TRIAC. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 6 – Para evitar que ocorra EMI por irradiação num circuito controlado por um tiristor o que devemos fazer? (  ) a) Blindar o circuito e aterrar a blindagem. (  ) b) Usar um circuito snubber. (  ) c) Diminuir a frequência de operação. (  ) d) Trocar o tiristor. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores. 7 – Qual é a finalidade de um circuito snubber? (  ) a) Reduzir a EMI. (  ) b) Proteger o tiristor na comutação de cargas indutivas. (  ) c) Acelerar a comutação. (  ) d) Reduzir a sensibilidade ao disparo. (  ) e) Nenhuma das alternativas anteriores.