Introdução à Eletrônica - elt 13 o tiristor

Introdução à Eletrônica - elt 13 o tiristor

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA 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

PotênciaPotência
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 positivoG

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 iG1iG0 VB (tensão de breakover) sem pulso no gatilho. Ou, quando
−VBfor 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=2,5Ve 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
−∆V10mA
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)

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