Introdução à Eletrônica - elt 13 o tiristor
(Parte 1 de 2)
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ELIÉSIO 1
| ESCOLA TÉCNICA | REZENDE-RAMMEL |
| NOME | TURMA 1º MC1-B ANO _ |
O Tiristor é um comutador quase ideal usado em circuito retificador, comutador e amplificador. É um componente de grande importância na eletrônica de potência.
O Tiristor também é conhecido como SCR (Silicon Controlled Rectifier) “Retificador Controlado de Silício”
O Tiristor atua essencialmente controlando a saída de um sinal. Por exemplo: um sinal pulsante assim.
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
a) Cortando alguns pulsos.
b) Permitindo a passagem de partes dos pulsos. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
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ELIÉSIO 2
| Potência | Potência |
| Suprimida disponível | |
| ângulo ângulo condução | |
| bloqueio |
O termo Tiristor ou SCR designa toda uma família de elementos semicondutores cujas características baseiam-se numa estrutura formada pela junção de materiais PNPN, podendo ter dois três ou quatro terminais. Dentro desta grande família podemos distinguir.
TIRISTOR ou SCR →são elementos unidirecionais com três terminais (ânodo, cátodo, porta) TRIAC → São elementos bidirecionais com três terminais( ânodo, cátodo, porta ) DIAC → São elementos bidirecionais com dois terminais (ânodo, cátodo)
| Activated Silicon Controlled Rectifier) |
FOTOTIRISTOR→São tiristores foto sensíveis conhecidos também por LASCR (Light
| ou GCO (Gain de Commande à L’ouverture) |
TIRISTOR BLOQUEADO→São tiristores com porta de extinção GTO ( Gate Tum-off Switch)
| (Silicon Unilateral Switch) |
COMUTADOR UNILATERAL DE SILÍCIO· É dispositivo de comutação unilateral SUS
| Bilateral Switch) |
COMUTADOR BILATERAL DE SILÍCIO· É dispositivo de comutação bilateral SBS (Silicon
| níveis SCS (Silicon Controlled Switch) |
TIRISTOR COM DUAS PORTAS→ São dispositivos de comutação com disparos em dois TIRISTOR
O TIRISTOR ou SCR é um dispositivo semicondutor de silício formado por quatro camadas P e N. Estas camadas são dispostas de forma alternada.
| SIMBOLOGIA | |
| ÂNODO CÁTODO A K | |
| P N P N | |
| A K G |
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ELIÉSIO 3
O tiristor é um elemento unidirecional que mesmo tendo aplicado uma tensão positiva entre ânodo e cátodo ele permanece aberto, até que um disparo seja aplicado no gate. A partir deste disparo ele permanece em condução (curto) mesmo que o disparo seja retirado, só voltando a abrir quando o potencial entre ânodo e cátodo for retirado.
UTILIZAÇÃO DO TIRISTOR O dispositivo pode ser utilizado em diversas aplicações, como:
RETIFICAÇÃO→ Consiste em usar a propriedade de funcionamento unidirecional do dispositivo
CHAVE· Usada como interruptor (aberto-fechado) podendo substituir os contatos mecânicos.
REGULAÇÃO→ Permite a possibilidade de controlar com precisão o ciclo de trabalho de um circuito para controlar a potência de saída.
AMPLIFICAÇÃO→ Através de uma pequena corrente aplicada em seu elemento de comando (GATE) pode controlar grande corrente na saída (ÂNODO).
FUNCIONAMENTO DO TIRISTOR Para simplificar podemos comparar o tiristor com três diodos conectados em oposição.
| A P N P N K Se o ânodo for positivo em relação ao cátodo | |
| D1 e D3 estão polarizados diretamente (situação). | |
| G de curto) D2 está polarizado reversamente (situação | |
| A K aberto). Quando uma pequena corrente é aplicada | |
| no gate o diodo D2 entra em avalanche e o disposi- | |
| D1 D2 D3 tivo conduz (curto).Depois que entra em condução | |
| G o tiristor só volta a condição de aberto quando for | |
| retirada a tensão entre ânodo e cátodo. |
| ID | |
| I | |
| AÇÃO DO | |
| GATE | |
| Vr | |
| VR VD | |
| G3 G2 G1 Vd | |
| V | |
| IG5 IG4 G3 IG2 IG1 | |
| IG1=0<IG2<IG3<IG4<IG5 |
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ELIÉSIO 4
A curva característica do tiristor pode ser dividida em 6 regiões, sendo que 4 estão situadas no Iº quadrante:
Imed → CORRENTE MÉDIA NO ESTADO DE CONDUÇÃO É definida como o valor médio da corrente direta entre ânodo-cátodo no tiristor.
Ipico → CORRENTE DE PICO NO ESTADO DE CONDUÇÃO
É definido como o valor máximo da corrente direta entre ânodo-cátodo de forma instantânea não repetitiva.
Im →CORRENTE DE MANUTENÇÃO É a corrente mínima necessária para manter o tiristor no estado de condução
IGpico → CORRENTE MÁXIMA DE GATE É o valor máximo instantâneo que pode alcançar o pico de corrente aplicado ao eletrodo de comando.
IG → CORRENTE DE GATE É a corrente aplicada ao gate necessária para levar o tiristor ao disparo.
É o valor de tensão direta que dispara o tiristor sem o sinal de comando no gate.(VBÆ tensão de breakover)
Vm → TENSÃO DE MANUTENÇÃO É a tensão mínima necessária para manter o tiristor no estado de condução.
Vr → TENSÃO DE RUPTURA INVERSA É o valor da tensão que aplicada reversamente entre ânodo-cätodo causa a ruptura do componente.
VG → TENSÃO DE GATE É o valor de tensão aplicada ao gate necessária para levar o tiristor ao disparo.
Ptotal → POTÊNCIA TOTAL
É a potência total dissipada no tiristor, para seu cálculo deve ser utilizada toda a corrente direta e reversa. Seu valor permite calcular o radiador se este for necessário.
| (Corrente em ordem crescente) |
TIPO Imed (A) Ipico (A) VBpico (A) VG (V) IG (mA)
BTX18 1.0 10 120 a 600 2.0 5.0 CRC1 1.25 15 50 a 500 2.5 10 2N4102 2.0 60 200 a 600 2.0 15 BT128 3.2 50 4.0 40 CR401B 5.0 100 50 a 600 3.0 25 TIC 106 5.0 30 30 a 400 1.0 200 40888 5.0 50 700 a 750 4.0 40 BT 109 6.5 50 50 a 500 3.0 20 BTY87 10 140 100 a 800 3.5 65 CR10 051B 10 120 50 a 600 3.0 80 40740 10 100 100 a 600 2.0 15 TIC 126 12 100 50 a 800 1.5 20 BTW92 20 320 600 a 1600 3.5 150 2N690 25 150 25 a 600 3.0 50 BTW24 30 600 600 a 1600 3.5 150 2N3899 35 350 100 a 800 2.0 40 BTW23 70 1500 600 a 1600 3.5 200
Imed → Corrente média no estado de condução
Ipico → Corrente de pico no estado de condução(corrente não repetitiva)
Vrpico →Tensão repetitiva de pico reverso
VG → Tensão de disparo mínima instantânea aplicada ao gate para iniciar a condução
IG → Corrente mínima instantânea de porta para iniciar a condução VB Æ tensão direta que dispara o tiristor sem comando gate..
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ELIÉSIO 5
| TENSÃO APLICADA | |
| DISPARO | |
| T DISPARO | |
| TENSÃO NA CARGA | |
| Va ~ RL | |
| TENSÃO NO TIRISTOR |
Estando a chave CH1 aberta, mesmo com a tensão de 12V (chave CH2 fechada) fazendo o anodo positivo em relação ao catodo, o tiristor permanecerá aberto e a lâmpada apagada.
Quando a chave CH1 for fechada é aplicado um disparo no gate, fazendo o tiristor conduzir, acendendo a lâmpada.
Após acender a lâmpada, ou seja, após disparar o tiristor, a chave CH1 pode ser aberta que a lâmpada irá permanecer acesa, pois o tiristor continuará disparado.
Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente entre anodo e catodo seja interrompida abrindo CH2
POLARIZAÇÃO REVERSA O TIC 106 trabalha com tensão reversa média (VRRM) de 220V portanto no circuito como a tensão aplicada é de 12V não oferece problema.
Uma lâmpada de 12V e 6W possui uma corrente nominal de IAPV===61205,. Como o TIC 106 suporta uma corrente direta média de 5 A não oferece nenhum perigo. A tensão de pico mínima para disparo (VG) do TIC 106 é de 1V. No circuito teremos
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ELIÉSIO 6
Para comutar, o tiristor necessita de uma tensão positiva no anodo em relação ao catodo maior que seu Vd (tensão direta de pico), e receber uma tensão de disparo no gate maior que seu VG(tensão de gate), para que uma IG (corrente de gate) leve o tiristor ao disparo.
Estando conduzindo, o tiristor necessita de uma Im (corrente de manutenção) muito baixa, normalmente1000vezes menor que sua corrente nominal.
Em CA, a corrente passa pelo zero em algum ponto do ciclo. Isso leva o tiristor ao bloqueio.
Com CH2 aberta, mesmo com CH1 fechada, o tiristor está bloqueado, pois não há corrente de disparo.
Fechando CH2, pelo resistor R1 circula uma corrente de disparo, que é suficiente para comutar o tiristor no semiciclo positivo da tensão da rede.
Quando a tensão da rede passa por zero, a corrente da lâmpada anula-se e o tiristor bloqueia. Só haverá novo disparo no próximo semiciclo.
Em circuito C, uma vez que a tensão entre o anodo e o catodo permanece positiva é feito um desvio da corrente por um caminho de baixa resistência, zerando a corrente no tiristor.
Com todas as chaves abertas, o tiristor está bloqueado e a lâmpada apagada. Fechando-se CH3, o circuito da lâmpada e do tiristor estará alimentado. Como não há corrente de disparo, o tiristor continuará bloqueado e a lâmpada apagada.
Quando CH2, fechar, a tensão aplicada ao gate será suficiente para alimentar o disparo do tiristor, que comutará e acenderá a
Com a lâmpada acesa, CH2, pode ser novamente aberta, sem que o tiristor bloqueie e a lâmpada se apague.
Fechando-se CH1, naturalmente a lâmpada não se apagará, pois a chave curto-circuitará o tiristor ficando alimentada diretamente pela tensão da fonte. Como o tiristor real não é exatamente um curtocircuito, toda a corrente da lâmpada irá passar pela chave CH1 e a corrente do tiristor cairá a zero. O tiristor, então, irá bloquear.
Com o tiristor bloqueado, abrindo-se a chave CH1, a lâmpada apagará. Assim, só será outra vez acesa se CH2, for novamente fechada, provocando a corrente de disparo no tiristor.
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ELIÉSIO 7
Com CH1 e CH2 abertos, o tiristor está bloqueado, a lâmpada está apagada e o capacitor descarregado.
Fechando-se CH1, alimenta-se o circuito de disparo. O tiristor dispara e a lâmpada acende
Além da corrente da lâmpada, o tiristor conduz também a corrente de carga do capacitor C.
O capacitor C carrega-se de forma exponencial,
Com as características dadas pelo fabricante verificamos que o tiristor precisa de 20mA de corrente de disparo.A junção gate-catodo não deixa de ser um diodo que aparece em paralelo com o resistor R2. Desta forma, logo no início do semiciclo positivo, a junção gate-catodo curto-circuita R2 e a tensão da rede atinge um valor suficiente para disparar o tiristor, que conduzirá e acenderá a lâmpada. A tensão da rede em que o disparo ocorre é definida por:
Mesmo sendo descontado a tensão de condução do diodo D [Vd ≅
0,7V], termos VG ≅ 2,9V. O TIC126 necessita de um VG>1,5V dados pelo fabricante.
Como o disparo é feito em 3,6 volts, praticamente todo semiciclo positivo será aplicado à lâmpada com valor de pico de
No semiciclo negativo, o tiristor não conduzirá, e o diodo, estando reversamente polarizado, evitará que circule corrente de disparo.
Desta forma a potência fornecida à lâmpada será metade da potência com o sinal completo.
| 180º 360º 540º 720º θ |
condução do tiristorbloqueio do tiristor
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ELIÉSIO 8
Uma maneira de aumentar o ângulo de disparo (θ≤90º) é montando uma rede defasadora para acionar o disparo do tiristor.
| Carga | |
| ~ Rede dispositivo Chave | |
| defasadora de disparo |
A idéia consiste em atrasar a tensão que irá comandar o disparo do tiristor.
A tensão de disparo, tomada sobre o capacitor, está atrasada em relação à tensão da rede. O valor dessa defasagem depende do valor da constante de tempo da rede defasadora (Γ=[R+P]C).
Variando-se o valor de P, consegue-se variar o momento do disparo do tiristor e assim variar a potência aplicada à carga.
O diodo D1 garante que só haverá corrente de disparo no semiciclo positivo da tensão da rede.
O diodo D2 conduz no semiciclo negativo carregando C com tensão negativa. Isso garante que, em cada semiciclo positivo, o capacitor comece sempre a se carregar a partir de uma tensão fixa, mantendo a regularidade do disparo.
Carga alimentada com corrente contínua Carga alimentada com corrente alternada
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ELIÉSIO 9
É um dispositivo bidirecional que pode ser usado para conduzir ou bloquear corrente em qualquer direção.
O triac pode ser disparado com pulso de porta positivo ou negativo. O nome vem de TRI ( triodo ou três eletrodos) e AC ( alternate current ou corrente alternada)
| P N P N | |
| ÂNODO 1 ÂNODO 2 SIMBOLOGIA | |
| A 1 GATE A 2 | |
| N P N P | |
| A1 A2 | |
| Há quatros modos possíveis de operação de um triac: | |
| A2 positivo em relação a A1 , pulso de GATE positivo | G |
Para melhor compreensão podemos olhar o triac como dois tiristores ligados em oposição A2 positivo em relação a A1 , pulso de GATE negativo A2 negativo em relação a A1 , pulso de GATE positivo A2 negativo em relação a A1 , pulso de GATE negativo
| iA Como podemos observar, analisando a curva característi- | |
| ca, o triac pode conduzir nos dois sentidos de polarização. |
| iG2 iG1 | iG0 VB (tensão de breakover) sem pulso no gatilho. Ou, quando |
| −VB | for aplicado uma corrente de disparo. |
Ele entra em condução quando for ultrapassado o valor
| circuito. | |
| iG0 iG1 iG2 +VB Além de conduzir nos dois sentidos o triac pode ser dis- | |
| parado por pulsos positivos ou negativos. |
Em condução, o triac apresenta-se quase como um curto-
| (Corrente em ordem crescente) |
TIPO Imed (A) Ipico (A)
VBpico (A) VG (V) IG (mA)
Imed → Corrente média no estado de condução Ipico → Corrente de pico no estado de condução (corrente não repetitiva) Vrpico →Tensão repetitiva de pico reverso VG → Tensão de disparo mínima instantânea para iniciar a condução IG → Corrente mínima instantânea de porta para iniciar a condução
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ELIÉSIO 10
| VG=2,5V | e IG=50mA |
Conforme dados do fabricante o TIC226 possui:
VGG=VR+VG como VR= IGxR então VGG= RxIG+VG
Normalmente os circuitos de disparos são projetados colocando-se um resistor fixo e outro ajustável para compensar as variações dos componentes.
| P=50Ω−−2Ω=28Ω |
O Trimpot (P) deverá ser ajustado em torno de Rt=R+P⇒P=Rt−P TRIAC EM CORRENTE ALTERNADA
Controle em onda completa Controle de potência
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ELIÉSIO 1
O diac é um elemento simétrico que não possui polaridade. Seu nome é proveniente da contração de “Diode Alternative Current”.
A tensão de disparo ocorre em cerca de 30 V, pois ë difícil obter estrutura com sensibilidade mais baixa. Os diac são muito utilizados para controladores em circuito de disparo de potência.
| +I | |
| SIMBOLOGIA | |
| 10mA +∆ |
| −V | −VD +V |
| +VD | |
| −∆V | 10mA |
| Quando a tensão no capacitor | |
| CARGA atingir o ponto de condução | |
| do diac o capacitor se descar- | |
| R rega disparando o tiristor. | |
| TRIAC | |
| Va ~ P DIAC | |
| C |
Quando C(0.01µF) atingir a tensão de disparo do Diac, o C(0.1µF) irá descarregar-se sobre C(0.01µF), repondo parcial- mente a carga perdida no disparo do triac. Isto faz com que, a cada semiciclo, a carga inicial do C(0.01µF) seja sempre a mesma.
Assim, o triac disparará sempre no mesmo ponto da senoide da rede.
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ELIÉSIO 12
TIRISTOR BLOQUEADO O tiristor bloqueado pode ser utilizado da seguinte forma:
DISPARAR → Ao ter aplicado um pulso positivo no seu elemento de comando
BLOQUEAR → Ao ter aplicado impulso negativo no seu elemento de comando. Este componente é conhecido pelas siglas:
GTO → Gate Turn-off Switch GCS → Gate Controlled Switch
GCO → Gain de Courant à l’ overture (ganho de corrente na abertura)
O disparo de um tiristor bloqueado é realizado de modo clássico. Para bloquear o tiristor é aplicado no elemento de comando um disparo necessário para intervir no ganho de corrente na abertura
GCO definida por: ()
() IFanularparanecessáriacorrenteIG principalcorrenteIFGCO o o=
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ELIÉSIO 13
| I A reta de carga corta a curva característica | |
| em dois pontos: |
| B IG abertura | |
| IG=0 | |
| A V |
A (ponto de bloqueio) B (Ponto de condução para IG=0)
É um tiristor com duas gates, este dispositivo de quatro camadas com todas as camadas acessíveis.
O SCS(Switch Controlled Silicon) pode ser ligado e desligado por um sinal aplicado aos seus gates.
A estrutura de um SCS mostra que a região mais externa P forma o ânodo e a região mais externa N forma o cátodo. A região interna P forma o gate do cátodo, e a região interna N forma o gate do ânodo
| ânodo SIMBOLOGIA | |
| P gate do ânodo | |
| gate do J1 | |
| ânodo N ânodo cátodo | |
| J2 | |
| gate do P | |
| cátodo N J3 gate do cátodo | |
| cátodo |
Com uma tensão aplicada de modo que o ânodo seja positivo em relação ao cátodo, as junções J1 e J3 são polarizadas diretamente e a junção J2 é polarizada reversamente. E assim a corrente do SCS é pequena (corrente de fuga reversa da junção J2), o dispositivo não está conduzindo.
A ação que causa a ligação pode ser iniciada por um pulso em qualquer gate (positivo no gate do cátodo ou negativo no gate do ânodo). O dispositivo continua em condução após ser retirado o pulso.
(Parte 1 de 2)